夏寶玉教授Nat Commun.：協同效應增強Pt基催化劑的ORR性能

一、【導讀】

發展燃料電池是能源行業低碳轉型的重要選擇之一。氧還原反應（ORR）中使用的高效催化劑決定了燃料電池的使用水平和壽命。目前，Pt基材料對于改善緩慢的陰極ORR動力學是必不可少且不可替代的。因此，目前已開發了多種策略來提高Pt基催化劑的性能，如某些納米結構的Pt基電催化劑在旋轉盤電極（RDE）水平表現出優異的促ORR催化活性。然而，有充分的文獻表明，極少有RDE水平的催化活性可以轉化為膜電極組件（MEA）。這種不一致性主要源于RDE和MEA中催化劑的不同反應界面和操作條件，這是目前限制燃料電池中Pt基催化劑的實際應用的關鍵因素。

二、【成果掠影】

近日，華中科技大學夏寶玉教授課題通過多尺度設計原理，報道了一種集成在鈷-氮-納米碳基體中的鉑合金PtCo@CoNC/NCNT/rGO （PtCo@CoNC/NTG），用于有效的ORR。PtCo@CoNC/NTG顯示出增加的質量活性（0.9V時為1.52?A mg_Pt^-1），比市售Pt催化劑高11.7倍，并且在30000次循環后保持98.7%的穩定性。此外，該集成催化劑在氫氣-空氣燃料電池中0.6V的電壓下提供1.50A cm^-2的電流密度，并達到980 mW cm^-2的功率密度。綜合研究表明，Pt-C集成催化劑中的組分和結構的協同作用是燃料電池中高效ORR的原因。研究成果以題為“An integrated platinum-nanocarbon electrocatalyst for efficient oxygen reduction” 發表在知名期刊Nat. Commun.上。

三、【核心創新點】

通過多尺度設計，構建碳納米載體的架構構建和調整Pt合金和鈷-氮-碳（Co-N-C）的原子級成分來制備雜化催化劑PtCo@CoNC/NTG，通過雜化催化劑中多種活性中心和分級納米碳基質的協同作用，表現出高的質量活性、優異的循環穩定性和ORR性能

四、【數據概覽】

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圖1?PtCo@CoNC/NTG的改進機制示意圖 ?2022 The Authors

用于加強ORR過程的合金鉑-納米碳集成電催化劑的多尺度設計示意圖。

圖2?PtCo@CoNC/NTG的結構表征???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）、拉曼光譜（i）和N₂吸附曲線（j）。

圖3?PtCo@CoNC/NTG的化學狀態和配位環境???2022 The Authors

（a-c）N 1s、Co 2p和Pt 4f的XPS光譜。

（d-e）Pt的L₃-edge XANES譜圖和EXAFS光譜的傅里葉變換。

（f）PtCo@CoNC/NTG中Pt的L₃-edge的應用散射路徑。

（g-h）Co的K-edge XANES譜圖和EXAFS光譜的傅里葉變換。

（i）PtCo@CoNC/NTG中Co的K-edge的應用散射路徑。

圖4?PtCo@CoNC/NTG的電化學性能???2022 The Authors

（a-c）不同Pt催化劑的LSV曲線、Tafel圖、半波電位和在0.9V時質量活性與RHE的關系。

（d-f）Pt/C和PtCo@CoNC/NTG的加速耐久性試驗（ADTs）前后的CV曲線、LSV曲線和活性比較。

圖5氫氣-空氣燃料電池性能評估 ?2022 The Authors

（a）不同催化劑的LSV曲線。

（b-c）Pt/C和PtCo@CoNC/NTG在ADTs前后的LSV曲線，以及PtCo@CoNC/NTG在0.6V與RHE在氣體擴散電極（GDE）評估中的I-t曲線。

（d）不同陰極催化劑的燃料電池極化圖。

（e-f）在0.6V電壓下的燃料電池穩定性測試，以及碳負載的電催化劑在氫氣-空氣燃料電池中的性能比較。

圖6 理論計算 ?2022 The Authors

（a）Pt/C和PtCo@CoNC的協同ORR示意圖。

（b）Co-N-C、Pt(111)和PtCo位點的ORR途徑的自由能圖。

（c-d）在0和1.23V下，Co-N-C和PtCo位點的協同ORR催化途徑。

五、【成果啟示】

綜上所述，研究人員報告了一種多尺度設計和集成工程，用于氫氣燃料電池的高效鉑-納米碳混合電催化劑構筑。該催化劑顯示出1.52 A mg_Pt^-1的高質量活性，比商業Pt/C（0.13 A mgPt-1）高出11.7倍。更重要的是，這種堅固的集成電催化劑顯示出顯著的耐久性，在30,000次電勢循環后只有1.3%的衰減。由PtCo@CoNC/NTG陰極組裝的氫氣-空氣燃料電池在0.6V時實現了1.50A cm^-2的電流密度和980 mW cm^-2的功率密度。AC-STEM、XAFS、DFT計算和電化學評估等闡明了含有多維結構和多原子活性點協同加強了催化劑的ORR催化活性和穩定性。這項工作可能為設計和制造用于燃料電池和其他能源技術的高性能鉑集成催化劑提供有價值的見解。

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

團隊簡介

夏寶玉，華中科技大學教授，博士生導師。主要從事結構功能材料的設計及其在能源、環境等領域應用的教學與研究工作，在Science，Nature Energy等期刊發表學術論文100余篇，研究成果被Chemistry Views，Materials Views等媒體報道，入選2018/2019/2020/2021年科睿唯安高被引科學家。