段鑲鋒&黃昱團隊Adv. Mater.：高性能Pt基ORR催化劑的納米結構設計

【引言】

隨著全球人口的增長和能源需求的增加，質子交換膜燃料電池（PEMFCs）作為高效直接化學能-電能轉換的替代能源轉換裝置，正引起人們的廣泛興趣。PEMFCs中關鍵的化學能-電能轉換過程可用簡單的公式描述：2H₂?+ O₂→2H₂O，其中H₂在負極被氧化，并且O₂在正極處被還原。雖然正極和負極都需要催化劑來降低電化學過電位，并獲得更高的電壓輸出，但正極氧還原反應（ORR）是一個多電子、多步反應、反應動力學緩慢。因此，ORR反應是關鍵的限制步驟。為此，為了降低PEMFCs的成本，開發高效、高性能的電催化劑來改善ORR動力學至關重要。鉑（Pt）因其優異的催化性能（活性和穩定性），是目前研究最廣泛的ORR電催化劑。Pt基催化劑的稀缺性和高成本是目前PEMFCs高成本的重要原因之一。根據美國能源部（DOE）燃料電池技術辦公室的預測，在大規模生產階段，Pt基催化劑的成本約占燃料電池總成本的41%。為此，美國能源部已設定一個特定的目標，減少PEMFCs的總Pt負載量為0.125 mg_Pt?cm^-2。因此，既要保證Pt基催化劑的最少量且不犧牲催化性能，所以需要開發高性能Pt基ORR催化劑。

【成果簡介】

近日，在美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授、黃昱教授團隊（共同通訊作者）帶領下，與湖南師范大學合作，基于Pt基ORR催化劑的催化性能得到了很大的提高，包括開發和設計各種尺寸和化學組成的各種Pt納米結構、通過晶體表面控制形狀、表面應變、表面摻雜、幾何工程和界面工程等方面調控。在此，團隊簡要介紹了燃料電池和ORR催化劑的一些基本原理和性能指標，然后詳細描述了一系列策略，以推動高性能Pt基催化劑的極限。簡要介紹了燃料電池中Pt基ORR催化劑面臨的挑戰及未來發展方向。相關成果以題為“Nanoscale Structure Design for High-Performance Pt-Based ORR Catalysts”發表在了Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1?各種Pt基納米結構ORR催化劑的設計策略

用于產生具有增強的比活性、電化學活性表面積和質量活性的各種Pt基納米結構ORR催化劑的設計策略。

圖2?各種Pt基ORR納米催化劑的代表性圖像

A，B）Pd@Pt核-殼凹十面體。

C，D）Pt-Ni八面體。

E，F）Mo-Pt₃Ni八面體納米晶體。

G，H）J-PtNWs。

I，J）PtPb六邊形納米片。

K，L）3D Pt₃Ni納米框架。

圖3?各種Pt基ORR納米催化劑的SA、ECSA和MA比較

通過改進SA和ECSA提升Pt基ORR催化劑MA的一些代表性催化劑（SA、MA在0.9V?vs RHE下進行比較）。除了PtPb NPs和PtNi CS外，上述納米催化劑的ECSA和SA值是根據CO-stripping估算的表面積(表面積估算采用H_upd)。TKK Pt/C作為基準。CS：核-殼結構；Oct：八面體；NPs：納米片；NFs：納米框架；J-NWs：鋸齒狀納米線；PGM：貴金屬族。

【小結】

在過去的十年中，大量的工作致力于開發Pt基ORR催化劑，并取得了顯著的進展。尺寸、形貌、表面結構、合成方法、合成后處理和載體材料對其活性和穩定性有重要影響。近年來發展起來的摻雜、組成與尺寸工程、脫合金或納米孔結構的形成等表面工程方法極大地促進了各種ORR催化劑的性能。然而，Pt基納米催化劑的長期耐久性與高性能的預測設計和合理制備仍存在重大挑戰。對結構與性能之間基本關系的理解遠遠落后于前期的準備和實證研究。從分子或原子水平進行機理研究是非常可取的，對未來高效催化劑的預測設計具有重要意義。此外，同時提高ORR催化劑的活性和耐久性是一項具有挑戰性的任務，因為活性較高的催化劑通常穩定性較差。未來結合多種策略的努力，包括表面摻雜的NWs或2D/3D納米結構，采用先進載體材料的尺寸/組成/幾何工程或表面摻雜納米催化劑可能進一步改善催化劑。PEMFCs在大規模汽車市場的廣泛應用要求正極催化劑的用量大幅減少。

此外，目前大多數新ORR催化劑的研究依賴于RDE研究來測試各自ORR的內在性能。一些最先進的ORR催化劑的性能已經遠遠超過了美國能源部的目標，即在設備中使用0.9 V的MA。然而，這些卓越的性能指標都沒有成功地轉化為真正的燃料電池設備。RDE測試證明的內在性能與MEA實現的實際性能之間仍存在相當大的差異，這表明RDE作為最先進的半電池測試方法需要更換或更新。為了彌補這一差距，最近提出的半電池測試技術（包括氣體擴散電極）在快速和低成本的燃料電池催化劑評估方面比RDE測試方法具有一些固有優勢，并使反應物傳遞速率接近或類似于全電池測試。此外，還需要作出重大努力，開發新的催化劑載體、新型電極結構和適當的電極制備方案，同時優化半電池電極的電荷傳輸、質量傳輸和長期耐用性，設計可轉移到MEA系統。

文獻鏈接：Nanoscale Structure Design for High-Performance Pt-Based ORR Catalysts（Adv. Mater., 2018, DOI:10.1002/adma.201802234）

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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