港科大邵敏華團隊Nat. Catal.：優異雜化ORR電催化劑有望取代傳統Pt/C催化劑實現高性能燃料電池

港科大邵敏華團隊Nat. Catal.：優異雜化ORR電催化劑有望取代傳統Pt/C催化劑實現高性能燃料電池

01、導讀

質子交換膜燃料電池（PEMFCs）是一種極具潛力的清潔能源轉換技術，近些年研究火熱。催化劑的設計是使用該技術十分重要的環節，然而，傳統Pt基納米催化劑成本高，并且隨著Pt負載的降低導致活性位點減少，其穩定性還會變差，這阻礙了該技術的進一步發展，后續仍需對其進行改善研究。

盡管科研工作者在開發先進的Pt基催化劑以提高Pt利用率和陰極氧化還原反應（ORR）的質量活性（MA）方面做出了巨大努力，但高活性和耐久性在燃料電池中很少實現。幸運的是，由氮配位碳表面（Me-N-C）中高度分散的過渡金屬單原子組成的ORR電催化劑是替代Pt催化劑有希望的候選者。但是，它的耐久性較差限制了其實際應用。

02、成果掠影

在此，香港科技大學邵敏華教授團隊、南方科技大學副教授谷猛團隊聯合阿貢國家實驗室化學科學與工程部Khalil Amine教授團隊設計報道了一種混合電催化劑（Pt-Fe-N-C），它由Pt-Fe合金納米顆粒和在氮摻雜碳載體中高度分散的Pt和Fe單原子組成。它的Pt質量活性是燃料電池中商用Pt/C的3.7倍。更重要的是，陰極中Pt負載較低（0.015 mg_Pt cm^-2）的燃料電池顯示出優異的耐久性，在10萬次循環后活性保留率為97%，并且在0.6 V電壓下運行時間超過200小時。

相關研究成果以“Atomically dispersed Pt and Fe sites and Pt–Fe nanoparticles for durable proton exchange membrane fuel cells”為題發表在國際頂級期刊Nature Catalysis上。

03、核心創新點

1、該研究成功合成了一種由原子分散的Pt和Fe單原子和Pt-Fe合金納米顆粒組成的超低Pt負載（1.7 wt%）的雜化ORR電催化劑。

2、該雜化催化劑它的Pt質量活性是燃料電池中商用Pt/C的3.7倍。更值得注意的是，陰極中Pt負載較低（0.015 mg_Pt cm^-2）的燃料電池顯示出優異的耐久性，在10萬次循環后活性保留率為97%，并且在0.6 V電壓下運行時間超過200小時。

04、數據概覽

圖1 Pt-Fe-N-C電催化劑中多個活性位點的表征 ? 2022 The Author(s)

（a,b）雜化Pt-Fe-N-C催化劑的TEM圖（a）和HAADF-STEM圖（b）；

（c）單個小納米顆粒的HAADF-STEM圖像，具有模擬STEM圖像和沿[100]區域軸的原子模型；

（d,e）HAADF-STEM圖像（d）和相應的EELS分析（e），以驗證Pt-Fe-N-C電催化劑中Pt和Fe在原子水平上的共存；

（f,g）Pt-Fe-N-C、Fe-N-C、Fe箔、FeO、Fe₂O₃和Pt箔的x射線吸收near-edge結構光譜比較：Pt L₃ edge（f）和Fe K edge（g）；

圖2 Pt-Fe-N-C燃料電池陰極性能評價 ? 2022 The Author(s)

（a）H₂/O₂燃料電池極化（實心符號和左軸）和功率密度（空心符號和右軸）圖，Pt/C（黑色三角形）和Pt-N-C（黃色菱形）的負載為0.1 mg_Pt cm^-2，Pt-Fe-N-C（紅色圓圈）的負載為0.015 mg_Pt cm^-2，Fe-N-C（藍色星星）的催化劑負載為3.5 mg cm^-2；

（b）Pt-Fe-N-C陰極在循環前（黑色）和10萬次電位循環后（紅色）在0.6 -0.95 V之間的H₂/O₂燃料電池極化（實心符號和左軸）和功率密度（空心符號和右軸）圖；

（c,d）Pt-Fe-N-C在0.015 mg_Pt cm^?2負載下的電流密度隨時間的變化。在0.6 條件下，H₂/O₂和H₂/空氣環境中的氟濃度（c）和H₂/空氣環境中（d）電勢保持為0.6 V時使用陰極中的Pt/C、Fe–N–C和Pt-Fe-N-C催化劑在燃料電池中收集的水中的氟濃度；

圖3 耐久性測量后Pt-Fe-N-C電催化劑的表征 ? 2022 The Author(s)

（a）100000次循環后Pt-Fe-N-C催化劑的HAADF-STEM圖像，其中藍色和紅色虛線圓圈分別表示Fe和Pt單原子；

（b）EELS分析，以探測保存良好的Pt–N和Fe–N構型；

（c,d）HAADF-STEM圖像（c）和HAADF強度分析（d）的相應線條輪廓（沿c中的綠線）證明了PtFe@Pt核殼結構；

（e-g）經過100000次循環后較大Pt-Fe-N-C催化劑納米顆粒的HAADF-STEM圖像（e,f）和沿f中紫色箭頭的EDX線輪廓（g）顯示了Fe和Pt之間的含量差異，并進一步揭示了中心坑的形成；

05、成果啟示

綜上所述，該研究成功合成了一種由原子分散的Pt和Fe單原子和Pt-Fe合金納米顆粒組成的超低Pt負載（1.7 wt%）的雜化ORR電催化劑。該催化劑在燃料電池使用中展現出了優異的性能，理論模擬表明，Pt–N₁C₃、Fe–N₁C₃和PtFe@Pt都是ORR反應的活性位點。混合電催化劑耐久性增強的原因可能是由于H₂O₂的形成減少，從而減輕膜和離聚體的降解。該研究結果強調了混合電催化劑中不同活性位點之間協同效應的重要性，并為為燃料電池和其他電化學器件設計活性更高和更耐用的低負載鉑基金屬電催化劑提供了新方法。

文獻鏈接：Atomically dispersed Pt and Fe sites and Pt–Fe nanoparticles for durable proton exchange membrane fuel cells，2022，https:/ / doi.org/10.1038/ s41929-022-00796-1）

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本文由LWB供稿。