港科大邵敏华团队Nat. Catal.：优异杂化ORR电催化剂有望取代传统Pt/C催化剂实现高性能燃料电池

港科大邵敏华团队Nat. Catal.：优异杂化ORR电催化剂有望取代传统Pt/C催化剂实现高性能燃料电池

01、导读

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）是一种极具潜力的清洁能源转换技术，近些年研究火热。催化剂的设计是使用该技术十分重要的环节，然而，传统Pt基纳米催化剂成本高，并且随着Pt负载的降低导致活性位点减少，其稳定性还会变差，这阻碍了该技术的进一步发展，后续仍需对其进行改善研究。

尽管科研工作者在开发先进的Pt基催化剂以提高Pt利用率和阴极氧化还原反应（ORR）的质量活性（MA）方面做出了巨大努力，但高活性和耐久性在燃料电池中很少实现。幸运的是，由氮配位碳表面（Me-N-C）中高度分散的过渡金属单原子组成的ORR电催化剂是替代Pt催化剂有希望的候选者。但是，它的耐久性较差限制了其实际应用。

02、成果掠影

在此，香港科技大学邵敏华教授团队、南方科技大学副教授谷猛团队联合阿贡国家实验室化学科学与工程部Khalil Amine教授团队设计报道了一种混合电催化剂（Pt-Fe-N-C），它由Pt-Fe合金纳米颗粒和在氮掺杂碳载体中高度分散的Pt和Fe单原子组成。它的Pt质量活性是燃料电池中商用Pt/C的3.7倍。更重要的是，阴极中Pt负载较低（0.015 mg_Pt cm^-2）的燃料电池显示出优异的耐久性，在10万次循环后活性保留率为97%，并且在0.6 V电压下运行时间超过200小时。

相关研究成果以“Atomically dispersed Pt and Fe sites and Pt–Fe nanoparticles for durable proton exchange membrane fuel cells”为题发表在国际顶级期刊Nature Catalysis上。

03、核心创新点

1、该研究成功合成了一种由原子分散的Pt和Fe单原子和Pt-Fe合金纳米颗粒组成的超低Pt负载（1.7 wt%）的杂化ORR电催化剂。

2、该杂化催化剂它的Pt质量活性是燃料电池中商用Pt/C的3.7倍。更值得注意的是，阴极中Pt负载较低（0.015 mg_Pt cm^-2）的燃料电池显示出优异的耐久性，在10万次循环后活性保留率为97%，并且在0.6 V电压下运行时间超过200小时。

04、数据概览

图1 Pt-Fe-N-C电催化剂中多个活性位点的表征 © 2022 The Author(s)

（a,b）杂化Pt-Fe-N-C催化剂的TEM图（a）和HAADF-STEM图（b）；

（c）单个小纳米颗粒的HAADF-STEM图像，具有模拟STEM图像和沿[100]区域轴的原子模型；

（d,e）HAADF-STEM图像（d）和相应的EELS分析（e），以验证Pt-Fe-N-C电催化剂中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射线吸收near-edge结构光谱比较：Pt L₃ edge（f）和Fe K edge（g）；

图2 Pt-Fe-N-C燃料电池阴极性能评价 © 2022 The Author(s)

（a）H₂/O₂燃料电池极化（实心符号和左轴）和功率密度（空心符号和右轴）图，Pt/C（黑色三角形）和Pt-N-C（黄色菱形）的负载为0.1 mg_Pt cm^-2，Pt-Fe-N-C（红色圆圈）的负载为0.015 mg_Pt cm^-2，Fe-N-C（蓝色星星）的催化剂负载为3.5 mg cm^-2；

（b）Pt-Fe-N-C阴极在循环前（黑色）和10万次电位循环后（红色）在0.6 -0.95 V之间的H₂/O₂燃料电池极化（实心符号和左轴）和功率密度（空心符号和右轴）图；

（c,d）Pt-Fe-N-C在0.015 mg_Pt cm⁻²负载下的电流密度随时间的变化。在0.6 条件下，H₂/O₂和H₂/空气环境中的氟浓度（c）和H₂/空气环境中（d）电势保持为0.6 V时使用阴极中的Pt/C、Fe–N–C和Pt-Fe-N-C催化剂在燃料电池中收集的水中的氟浓度；

图3 耐久性测量后Pt-Fe-N-C电催化剂的表征 © 2022 The Author(s)

（a）100000次循环后Pt-Fe-N-C催化剂的HAADF-STEM图像，其中蓝色和红色虚线圆圈分别表示Fe和Pt单原子；

（b）EELS分析，以探测保存良好的Pt–N和Fe–N构型；

（c,d）HAADF-STEM图像（c）和HAADF强度分析（d）的相应线条轮廓（沿c中的绿线）证明了PtFe@Pt核壳结构；

（e-g）经过100000次循环后较大Pt-Fe-N-C催化剂纳米颗粒的HAADF-STEM图像（e,f）和沿f中紫色箭头的EDX线轮廓（g）显示了Fe和Pt之间的含量差异，并进一步揭示了中心坑的形成；

05、成果启示

综上所述，该研究成功合成了一种由原子分散的Pt和Fe单原子和Pt-Fe合金纳米颗粒组成的超低Pt负载（1.7 wt%）的杂化ORR电催化剂。该催化剂在燃料电池使用中展现出了优异的性能，理论模拟表明，Pt–N₁C₃、Fe–N₁C₃和PtFe@Pt都是ORR反应的活性位点。混合电催化剂耐久性增强的原因可能是由于H₂O₂的形成减少，从而减轻膜和离聚体的降解。该研究结果强调了混合电催化剂中不同活性位点之间协同效应的重要性，并为为燃料电池和其他电化学器件设计活性更高和更耐用的低负载铂基金属电催化剂提供了新方法。

文献链接：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）

本文由LWB供稿。