夏宝玉教授Nat Commun.：协同效应增强Pt基催化剂的ORR性能

一、【导读】

发展燃料电池是能源行业低碳转型的重要选择之一。氧还原反应（ORR）中使用的高效催化剂决定了燃料电池的使用水平和寿命。目前，Pt基材料对于改善缓慢的阴极ORR动力学是必不可少且不可替代的。因此，目前已开发了多种策略来提高Pt基催化剂的性能，如某些纳米结构的Pt基电催化剂在旋转盘电极（RDE）水平表现出优异的促ORR催化活性。然而，有充分的文献表明，极少有RDE水平的催化活性可以转化为膜电极组件（MEA）。这种不一致性主要源于RDE和MEA中催化剂的不同反应界面和操作条件，这是目前限制燃料电池中Pt基催化剂的实际应用的关键因素。

二、【成果掠影】

近日，华中科技大学夏宝玉教授课题通过多尺度设计原理，报道了一种集成在钴-氮-纳米碳基体中的铂合金PtCo@CoNC/NCNT/rGO （PtCo@CoNC/NTG），用于有效的ORR。PtCo@CoNC/NTG显示出增加的质量活性（0.9V时为1.52 A mg_Pt^-1），比市售Pt催化剂高11.7倍，并且在30000次循环后保持98.7%的稳定性。此外，该集成催化剂在氢气-空气燃料电池中0.6V的电压下提供1.50A cm^-2的电流密度，并达到980 mW cm^-2的功率密度。综合研究表明，Pt-C集成催化剂中的组分和结构的协同作用是燃料电池中高效ORR的原因。研究成果以题为“An integrated platinum-nanocarbon electrocatalyst for efficient oxygen reduction” 发表在知名期刊Nat. Commun.上。

三、【核心创新点】

通过多尺度设计，构建碳纳米载体的架构构建和调整Pt合金和钴-氮-碳（Co-N-C）的原子级成分来制备杂化催化剂PtCo@CoNC/NTG，通过杂化催化剂中多种活性中心和分级纳米碳基质的协同作用，表现出高的质量活性、优异的循环稳定性和ORR性能

四、【数据概览】

图1 PtCo@CoNC/NTG的改进机制示意图 ©2022 The Authors

用于加强ORR过程的合金铂-纳米碳集成电催化剂的多尺度设计示意图。

图2 PtCo@CoNC/NTG的结构表征  ©2022 The Authors

PtCo@CoNC/NTG的SEM（a-b）、HAADF-STEM（c）、TEM（d）、HRTEM（e）、AC-HAADF-STEM（f）、EDS mapping（g）、XRD（h）、拉曼光谱（i）和N₂吸附曲线（j）。

图3 PtCo@CoNC/NTG的化学状态和配位环境  ©2022 The Authors

（a-c）N 1s、Co 2p和Pt 4f的XPS光谱。

（d-e）Pt的L₃-edge XANES谱图和EXAFS光谱的傅里叶变换。

（f）PtCo@CoNC/NTG中Pt的L₃-edge的应用散射路径。

（g-h）Co的K-edge XANES谱图和EXAFS光谱的傅里叶变换。

（i）PtCo@CoNC/NTG中Co的K-edge的应用散射路径。

图4 PtCo@CoNC/NTG的电化学性能  ©2022 The Authors

（a-c）不同Pt催化剂的LSV曲线、Tafel图、半波电位和在0.9V时质量活性与RHE的关系。

（d-f）Pt/C和PtCo@CoNC/NTG的加速耐久性试验（ADTs）前后的CV曲线、LSV曲线和活性比较。

图5氢气-空气燃料电池性能评估 ©2022 The Authors

（a）不同催化剂的LSV曲线。

（b-c）Pt/C和PtCo@CoNC/NTG在ADTs前后的LSV曲线，以及PtCo@CoNC/NTG在0.6V与RHE在气体扩散电极（GDE）评估中的I-t曲线。

（d）不同阴极催化剂的燃料电池极化图。

（e-f）在0.6V电压下的燃料电池稳定性测试，以及碳负载的电催化剂在氢气-空气燃料电池中的性能比较。

图6 理论计算 ©2022 The Authors

（a）Pt/C和PtCo@CoNC的协同ORR示意图。

（b）Co-N-C、Pt(111)和PtCo位点的ORR途径的自由能图。

（c-d）在0和1.23V下，Co-N-C和PtCo位点的协同ORR催化途径。

五、【成果启示】

综上所述，研究人员报告了一种多尺度设计和集成工程，用于氢气燃料电池的高效铂-纳米碳混合电催化剂构筑。该催化剂显示出1.52 A mg_Pt^-1的高质量活性，比商业Pt/C（0.13 A mgPt-1）高出11.7倍。更重要的是，这种坚固的集成电催化剂显示出显著的耐久性，在30,000次电势循环后只有1.3%的衰减。由PtCo@CoNC/NTG阴极组装的氢气-空气燃料电池在0.6V时实现了1.50A cm^-2的电流密度和980 mW cm^-2的功率密度。AC-STEM、XAFS、DFT计算和电化学评估等阐明了含有多维结构和多原子活性点协同加强了催化剂的ORR催化活性和稳定性。这项工作可能为设计和制造用于燃料电池和其他能源技术的高性能铂集成催化剂提供有价值的见解。

原文详情：An integrated platinum-nanocarbon electrocatalyst for efficient oxygen reduction (Nat. Commun., 2022, 13, 6703)

团队简介

夏宝玉，华中科技大学教授，博士生导师。主要从事结构功能材料的设计及其在能源、环境等领域应用的教学与研究工作，在Science，Nature Energy等期刊发表学术论文100余篇，研究成果被Chemistry Views，Materials Views等媒体报道，入选2018/2019/2020/2021年科睿唯安高被引科学家。