在反应机理研究与催化剂设计的基础上，本课题组进一步开展氢燃料电池、电解水，新型二次电池等电化学能量转化与存储器件和系统的开发，以期将设计的催化剂真正投入实际应用，主要研究内容包括：

（1）氢燃料电池器件

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs）是一种直接将化学能转化为电能的新型能源装置，具有能量转化效率高、工作温度较低、清洁绿色等优点，但其存在阴极反应动力学缓慢、催化剂成本较高、稳定性不佳等一系列问题。本课题组基于已研发的高性能低铂纳米晶催化剂与过渡金属-氮-碳(M-N-C)型非贵金属催化剂，开展了PEMFC器件集成，实现了催化剂在器件中的长期稳定工作。目前我们研制的L1₀-W-PtCo催化剂在PEMFC器件中的性能已经超过科技部相关的氢能专项和美国能源部2020年的指标，稳定性处于当时文献报道的最高水平；课题组研制的L1₀-Ga-PtNi催化剂在应用于重卡（Heavy duty vehicles， HDVs）的测试条件下循环9万次仍能保持80%以上的活性，属于行业顶尖水平。代表作：Nat. Catal. 2024, 7, 719-732; Nat. Mater. 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01901-4; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202400751; Adv. Mater. 2021, 2006613; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000179; Small 2021, 17, 2100735。

燃料电池测试系统与催化剂性能响应

（2）电解水制氢和CO₂电还原器件

       电解水制氢是一种制取高纯度氢气的可持续高效方式，通过实现水-氢-氧循环来生产氢燃料，这对未来的可再生能源技术至关重要。目前，电解水装置反应动力学较差，因此超电势较高；同时在反应过程中催化剂材料处于强酸性或强碱性的环境等造成了材料的腐蚀问题，阻碍了进一步应用。本课题组基于设计的耐腐蚀型低载量贵金属以及非贵金属催化剂，开展了碱性电解水、酸性电解水以及海水电解制氢器件的集成设计，实现了高效电解水制氢。代表作：Energy Environ. Sci., 2024,17, 3088；Nat Commun., 2023, 14, 3934; ACS Catal., 2023, 8, 5194; Appl. Catal. B: Environ. 2022, 302, 120862。

       CO₂液相流动电解池是目前最常见的流动相电解装置，其成功解决了传统H型电解池的CO2溶解和扩散受限问题，将反应电流提升了1到2个数量级，并可与高浓度碱性电解液（如KOH）配套使用，从而提高反应选择性。本课题组基于开发的具有高选择性和长期稳定性的CO2还原催化剂，开展了CO₂液相流动电解池等器件的集成设计，实现将CO₂高效还原为C1/C2产物。代表作：ACS Catal., 2024, 14, 489; Chinese J. Catal. 2022, 43, 1680; Appl. Catal. B: Environ. 2021, 289, 119783。

电解水制氢和CO₂电还原器件

（3）新型二次电池

       太阳能，风能，水力能等可再生能源形式已逐步应用，然而由于其功率输出的不稳定性，很难将这些清洁能源直接接入电网，需要开发大规模储能设备来配套。本课题组围绕高能量密度和长循环寿命的可充电电池开展了系列工作，主要聚焦于1）纳米催化剂在锂硫电池正极多硫离子催化转化中的应用；2）锂离子电池电极材料的优化设计；3）高性能可充电锌空电池设计。代表作：Adv. Mater. 2018, 30, 1800757; ACS Nano 2020, 14, 10115; Nanoscale, 2020, 12, 584; Nanoscale, 2018, 10, 5634; Electrochimica Acta, 2018, 282, 973-980。

锂硫电池正极材料设计及软包电池性能展示