Science:雙金屬催化劑:超低負載量Pt-Co燃料電池催化劑


【引言】

在質子交換膜燃料電池(PEMFCs)中,由于氧還原反應(ORR)的緩慢動力學,需要3到5倍的Pt。Pt的高成本和稀缺性促使人們努力減少Pt的使用。在燃料電池中,膜電極中的催化劑易于與反應物(O2)接觸,使其產生高電流密度。但是在極低Pt負載限制下,形成少量的晶體,在電極表面沒有足夠多的晶體與O2接觸,導致燃料電池電流下降。以金屬-有機框架(MOF)或多孔有機聚合物制備的催化劑在整個電極中具有大量和均勻活性位點。然而,關鍵的缺點是在PEMFCs中的差穩定性。不同于Pt催化劑,其活性降低主要是晶粒的溶解和團聚,一個可能的原因是ORR過程中產生H2O2的影響。如果超低負載量Pt和PGM-Free的催化劑的缺點通過協同相互作用相互補償,則可以顯著降低Pt的使用,同時保持優異的活性和耐久性。

【成果簡介】

今日,在美國阿貢國家實驗室劉迪嘉研究員(通訊作者)團隊的帶領下,與普渡大學上海交通大學合作,通過使用一種以Co或雙金屬Co和Zn沸石咪唑酯骨架為前驅體,制備超負載Pt含量高活性穩定的電催化劑的方法。由于Pt-Co核-殼納米顆粒之間的協同催化作用,燃料電池在1個氧氣或空氣的大氣壓下,高壓和高電流條件時都具有優異的催化性能。兩種催化劑的ORR質量活性為1.08?A mgPt-1和1.77 A mg A mgPt-1,在燃料電池中進行30000次CV循環后,其質量活性保留了64%和15%的初始值。計算模型顯示Pt-Co納米粒子和PGM-Free位點之間的相互作用改善了ORR活性和耐久性。相關成果以題為“Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell catalysts derived from imidazolate frameworks”發表在了Science上。

【圖文導讀】

圖1?LP@PF催化劑結構

圖2 LP@PF光譜表征

圖3?電催化活性和耐久性評估

4 ORR途徑的自由能圖

文獻鏈接Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell catalysts derived from imidazolate frameworks(Science, 2018, DOI:10.1126/science.aau0630)

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯,材料牛整理編輯。

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