专栏：Pt基氧还原电催化剂

kongxy 2年前 (2023-03-17) 2243浏览

 

 

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为最有前途的能源转换技术之一，它以功率密度高、能量转换效率高、工作温度低、清洁等优点而受到广泛关注。其中氧还原反应 (ORR)作为PEMFC能源转换技术的核心，高效且廉价的催化剂开发是不可或缺的。不幸的是，ORR复杂的四电子氧化还原动力学和中间体增加了催化剂开发的难度。目前，Pt/C是商业PEMFC最常见的ORR电催化剂，然而Pt的成本、颗粒聚集以及长期耐久性等问题限制了大规模应用。尽管很多研究学者提出氮配位碳表面的过渡金属单原子催化剂(Me-N-C)替代Pt基催化剂，但是Me-N-C较差的耐久性和溶解性难以实现其工业应用。因此，科学家们致力于开发最少Pt负载的高效且稳定的电催化剂，同时也在提高现有的Pt基电催化剂的结构稳定性和催化活性。材料人为您总结了在这些方面较有代表性的8篇工作。

 

 

1. 高性能燃料电池催化剂 登上Nature Catalysis

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 mgPt 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。

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2. 中科大刘庆华最新NC：调节缩放关系以实现氧还原反应的高催化动力学和选择性

在这项研究中，中国科学技术大学刘庆华、苏徽课题组，提出了一种使用金属间距离调控的原子尺度双金属组装体(ABA)的策略，该组装体可以催化直接的O-O自由基断裂而不形成多余的*OOH中间体，从而调节固有的线性标度关系，并使ABA上的ORR遵循快速动力学双位点机制。利用原位同步辐射光谱，本工作直接观察到自调节的N-桥连Pt=N2=Fe组装体在ORR过程中促进了关键中间状态(Pt-O-O-Fe)的产生，从而导致高的反应动力学和选择性。精心设计的Pt=N2=Fe ABA催化剂在0.95 V的半波电位下相对于商业Pt/C实现了近2个数量级的动力学电流密度提升，4电子途径选择性效率接近99%，是应用于锌空气电池能量装置的潜在ORR催化剂之一。本研究为开发和优化其他高效ORR电催化剂提供了有益的设计原则。相关论文以题为：“Regulating the scaling relationship for high catalytic kinetics and selectivity of the oxygen reduction reaction”发表在Nature Communications上。

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3. Nat.Commun.: 通过单层氧化铂纳米片的拓扑还原合成铂纳米片用于电催化氧还原反应

近日，日本信州大学Wataru Sugimoto教授等人成功通过从层状铂酸钾上剥离出0.9 nm厚度的氧化Pt纳米片（PtOx NSs），再利用拓扑定向还原技术合成出 0.5 nm厚度的双原子层Pt纳米片（2 AL-Pt NSs）。2 AL-Pt NSs的质量活性和循环耐久性优于商业化的3nm Pt NPs。相关的研究成果以“Platinum nanosheets synthesized via topotactic reduction of single-layer platinum oxide nanosheets for electrocatalysis”为题发表在Nature Communications上。

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4. Energy Environ. Sci.：紧密堆积的Pt1.5Ni1-x/Ni-N-C混合物用于中继催化的ORR

近日，中国科学技术大学吴宇恩教授和周煌博士（共同通讯作者）开发了一种气体促进脱合金工艺，直接构建了由单个Ni位点包围的紧密堆积的Pt-Ni合金NC，在这两种类型的位点之间形成了高效的电子传递，从而实现了优越的ORR性能。由于高温和NH3腐蚀引起的脱合金效应，其中大量的Ni原子从初始Pt-Ni合金迁移，并被相邻的氮缺陷位点捕获，得到具有稳定富铂表面的Pt-Ni NC。与未处理的样品相比，紧密填充的杂化物在酸性介质中表现出增强的ORR性能，其质量活度(MA)/比活度(SA)为4.1 A mgPt-1/4.6mA cm-2，是商用Pt/C催化剂的15/7倍，超过了许多贵金属催化剂。在实际燃料电池测试中，只有Pt/C一半Pt负载的催化剂表现出更高的活性和耐久性。最后，理论结果表明，紧密排列的杂化体可以保证关键中间体OOH*不断地从Ni单位迁移到相邻的Pt基NC上，从而形成一种中继反应，提高了催化性能。相关研究工作以“A closely packed Pt1.5Ni1-X/Ni–N–C hybrid for relay catalysis towards oxygen reduction”为题发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science上。

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5. 上海交通大学沈水云Appl. Catal. B:电化学合成PtCo助力ORR过程

 

上海交通大学沈水云副教授（通讯作者）在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中采用电沉积策略制备了PtCo/C催化剂，其中DMF与Pt和Co前驱体的配位极大地缩小了其沉积电位，促进了最终的合金化。同时，DMF选择性地吸附在Pt(111)面上，有助于暴露更多的PtCo(111)面，以提供较高的ORR活性，并极大地提高了颗粒尺寸的均匀性，确保了催化剂的耐久性。实验结果表明，优化后的PtCo-1.8/C的比活性（SA）是商业Pt/C的5倍以上，且经过加速降解试验（ADT）后几乎没有变化。此外，密度泛函理论（DFT）也表明，表面Pt:Co=1:1的样品具有最佳的催化活性。相关研究成果以“Electrochemical synthesis of monodispersed and highly alloyed PtCo nanoparticles with a remarkable durability towards oxygen reduction reaction”为题发表在Applied Catalysis B: Environmental上。

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6. ACS Sustain. Chem. Eng: 氮掺杂碳封装的Pt-Fe-Cu有序金属间化合物作为氧还原反应的高性能催化剂

加州大学尔湾分校忻获麟（Huolin L. Xin）助理教授团队报道了一种氮修饰碳(壳)封装的、具有呈现面心四方(fct)相的Pt-Fe-Cu有序金属间纳米颗粒(芯)用于酸性ORR的电催化剂。氮掺杂碳壳不仅能保护Pt - Fe - Cu核的溶解、团聚、聚结和奥斯特瓦尔德熟化，还能通过Fe-N的强配位调控中心Pt位的电子结构。优化后的氮掺杂碳壳的Pt-Fe-Cu金属间化合物具有优异的ORR活性，并且比无序Pt-Fe-Cu合金、不掺杂氮的碳壳的Pt-Fe-Cu金属间化合物和商用Pt/C的化学稳定性更好，在酸性介质中可达到的ORR质量和比活性分别比商用Pt/C高近5倍和4倍。。

相关研究工作以“Pt−Fe−Cu Ordered Intermetallics Encapsulated with NDoped Carbon as High-Performance Catalysts for Oxygen Reduction Reaction”为题发表在国际顶级期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。

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7. ACS Sustain. Chem: 气相合成PtMo合金电催化剂用于增强氧还原反应的活性和耐久性

近期，韩国高丽大学Dong-Wan Kim提出了一种一步气相合成方法，在不使用任何有机添加剂或还原性气体的情况下，大规模制备了负载碳载体上的Pt-Mo固溶合金(PtMo/C) 的ORR电催化剂，该催化剂具有高质量活性和稳定性。六羰基钼(Mo(CO)6)不仅作为强还原剂，而且是Pt基合金中Mo的来源。通过控制合成条件，优化了PtMo/C的粒径，与商业Pt/C相比，具有最大化的ORR活性，并且在加速降解试验(ADTs)后表现出较高的耐久性。
相关研究工作以“Gas-Phase Synthesis of PtMo Alloy Electrocatalysts with Enhanced Activity and Durability for Oxygen Reduction Reaction ”为题发表在国际顶级期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。

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8. ACS Catalysis：S掺杂GCN增强Pt-N配位提高Pt基催化剂ORR活性

浙江大学孙文平研究员与中国科学技术大学郑旭升副教授课题组提出以石墨相氮化碳（GCN）为载体，通过采用S原子掺杂取代吡啶N位点诱导GCN中的电荷再分配，使得与S相邻的C和N原子处于缺电子状态，缺电子状态的N原子更易与Pt成键，增加了异质界面处的Pt-N的配位数，从而强化了金属-载体间的相互作用。该配位调控使得Pt的5d电子密度降低，d带中心下移，有利于含氧中间体，尤其是OH*的快速脱附，因而加速了ORR反应的动力学，实现了Pt基催化剂活性与稳定性的同步提高。该研究成果以“Sulfur Doping Triggering Enhanced Pt-N Coordination in Graphitic Carbon Nitride-Supported Pt Electrocatalysts toward Efficient Oxygen Reduction Reaction”为题发表在知名期刊ACS Catalysis上。

原文详情：ACS Catalysis：S掺杂GCN增强Pt-N配位提高Pt基催化剂ORR活性

 

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