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質子交換膜燃料電池（PEMFC）作為最有前途的能源轉換技術之一，它以功率密度高、能量轉換效率高、工作溫度低、清潔等優點而受到廣泛關注。其中氧還原反應 (ORR)作為PEMFC能源轉換技術的核心，高效且廉價的催化劑開發是不可或缺的。不幸的是，ORR復雜的四電子氧化還原動力學和中間體增加了催化劑開發的難度。目前，Pt/C是商業PEMFC最常見的ORR電催化劑，然而Pt的成本、顆粒聚集以及長期耐久性等問題限制了大規模應用。盡管很多研究學者提出氮配位碳表面的過渡金屬單原子催化劑(Me-N-C)替代Pt基催化劑，但是Me-N-C較差的耐久性和溶解性難以實現其工業應用。因此，科學家們致力于開發最少Pt負載的高效且穩定的電催化劑，同時也在提高現有的Pt基電催化劑的結構穩定性和催化活性。材料人為您總結了在這些方面較有代表性的8篇工作。

1.?高性能燃料電池催化劑 登上Nature Catalysis

香港科技大學邵敏華教授團隊、南方科技大學副教授谷猛團隊聯合阿貢國家實驗室化學科學與工程部Khalil Amine教授團隊設計報道了一種混合電催化劑（Pt-Fe-N-C），它由Pt-Fe合金納米顆粒和在氮摻雜碳載體中高度分散的Pt和Fe單原子組成。它的Pt質量活性是燃料電池中商用Pt/C的3.7倍。更重要的是，陰極中Pt負載較低（0.015 mg_Pt?cm^-2）的燃料電池顯示出優異的耐久性，在10萬次循環后活性保留率為97%，并且在0.6 V電壓下運行時間超過200小時。

相關研究成果以“Atomically dispersed Pt and Fe sites and Pt–Fe nanoparticles for durable proton exchange membrane fuel cells”為題發表在國際頂級期刊Nature Catalysis上。

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2.?中科大劉慶華最新NC：調節縮放關系以實現氧還原反應的高催化動力學和選擇性

在這項研究中，中國科學技術大學劉慶華、蘇徽課題組，提出了一種使用金屬間距離調控的原子尺度雙金屬組裝體(ABA)的策略，該組裝體可以催化直接的O-O自由基斷裂而不形成多余的*OOH中間體，從而調節固有的線性標度關系，并使ABA上的ORR遵循快速動力學雙位點機制。利用原位同步輻射光譜，本工作直接觀察到自調節的N-橋連Pt=N₂=Fe組裝體在ORR過程中促進了關鍵中間狀態(Pt-O-O-Fe)的產生，從而導致高的反應動力學和選擇性。精心設計的Pt=N₂=Fe ABA催化劑在0.95?V的半波電位下相對于商業Pt/C實現了近2個數量級的動力學電流密度提升，4電子途徑選擇性效率接近99%，是應用于鋅空氣電池能量裝置的潛在ORR催化劑之一。本研究為開發和優化其他高效ORR電催化劑提供了有益的設計原則。相關論文以題為：“Regulating the scaling relationship for high catalytic kinetics and selectivity of the oxygen reduction reaction”發表在Nature Communications上。

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3.?Nat.Commun.: 通過單層氧化鉑納米片的拓撲還原合成鉑納米片用于電催化氧還原反應

近日，日本信州大學Wataru Sugimoto教授等人成功通過從層狀鉑酸鉀上剝離出0.9 nm厚度的氧化Pt納米片（PtO_x?NSs），再利用拓撲定向還原技術合成出 0.5 nm厚度的雙原子層Pt納米片（2 AL-Pt NSs）。2 AL-Pt NSs的質量活性和循環耐久性優于商業化的3nm Pt NPs。相關的研究成果以“Platinum nanosheets synthesized via topotactic reduction of single-layer platinum oxide nanosheets for electrocatalysis”為題發表在Nature Communications上。

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4.?Energy Environ. Sci.：緊密堆積的Pt1.5Ni1-x/Ni-N-C混合物用于中繼催化的ORR

近日，中國科學技術大學吳宇恩教授和周煌博士（共同通訊作者）開發了一種氣體促進脫合金工藝，直接構建了由單個Ni位點包圍的緊密堆積的Pt-Ni合金NC，在這兩種類型的位點之間形成了高效的電子傳遞，從而實現了優越的ORR性能。由于高溫和NH₃腐蝕引起的脫合金效應，其中大量的Ni原子從初始Pt-Ni合金遷移，并被相鄰的氮缺陷位點捕獲，得到具有穩定富鉑表面的Pt-Ni NC。與未處理的樣品相比，緊密填充的雜化物在酸性介質中表現出增強的ORR性能，其質量活度(MA)/比活度(SA)為4.1 A mg_Pt^-1/4.6mA cm^-2，是商用Pt/C催化劑的15/7倍，超過了許多貴金屬催化劑。在實際燃料電池測試中，只有Pt/C一半Pt負載的催化劑表現出更高的活性和耐久性。最后，理論結果表明，緊密排列的雜化體可以保證關鍵中間體OOH*不斷地從Ni單位遷移到相鄰的Pt基NC上，從而形成一種中繼反應，提高了催化性能。相關研究工作以“A closely packed Pt_1.5Ni_1-X/Ni–N–C hybrid for relay catalysis towards oxygen reduction”為題發表在國際頂級期刊Energy & Environmental Science上。

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5.?上海交通大學沈水云Appl. Catal. B:電化學合成PtCo助力ORR過程

上海交通大學沈水云副教授（通訊作者）在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶劑中采用電沉積策略制備了PtCo/C催化劑，其中DMF與Pt和Co前驅體的配位極大地縮小了其沉積電位，促進了最終的合金化。同時，DMF選擇性地吸附在Pt(111)面上，有助于暴露更多的PtCo(111)面，以提供較高的ORR活性，并極大地提高了顆粒尺寸的均勻性，確保了催化劑的耐久性。實驗結果表明，優化后的PtCo_-1.8/C的比活性（SA）是商業Pt/C的5倍以上，且經過加速降解試驗（ADT）后幾乎沒有變化。此外，密度泛函理論（DFT）也表明，表面Pt:Co=1:1的樣品具有最佳的催化活性。相關研究成果以“Electrochemical synthesis of monodispersed and highly alloyed PtCo nanoparticles with a remarkable durability towards oxygen reduction reaction”為題發表在Applied Catalysis B: Environmental上。

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6.?ACS Sustain. Chem. Eng: 氮摻雜碳封裝的Pt-Fe-Cu有序金屬間化合物作為氧還原反應的高性能催化劑

加州大學爾灣分校忻獲麟（Huolin L. Xin）助理教授團隊報道了一種氮修飾碳(殼)封裝的、具有呈現面心四方(fct)相的Pt-Fe-Cu有序金屬間納米顆粒(芯)用于酸性ORR的電催化劑。氮摻雜碳殼不僅能保護Pt - Fe - Cu核的溶解、團聚、聚結和奧斯特瓦爾德熟化，還能通過Fe-N的強配位調控中心Pt位的電子結構。優化后的氮摻雜碳殼的Pt-Fe-Cu金屬間化合物具有優異的ORR活性，并且比無序Pt-Fe-Cu合金、不摻雜氮的碳殼的Pt-Fe-Cu金屬間化合物和商用Pt/C的化學穩定性更好，在酸性介質中可達到的ORR質量和比活性分別比商用Pt/C高近5倍和4倍。。

相關研究工作以“Pt?Fe?Cu Ordered Intermetallics Encapsulated with NDoped?Carbon as High-Performance Catalysts for Oxygen Reduction?Reaction”為題發表在國際頂級期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。

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7.?ACS Sustain. Chem: 氣相合成PtMo合金電催化劑用于增強氧還原反應的活性和耐久性

近期，韓國高麗大學Dong-Wan Kim提出了一種一步氣相合成方法，在不使用任何有機添加劑或還原性氣體的情況下，大規模制備了負載碳載體上的Pt-Mo固溶合金(PtMo/C) 的ORR電催化劑，該催化劑具有高質量活性和穩定性。六羰基鉬(Mo(CO)₆)不僅作為強還原劑，而且是Pt基合金中Mo的來源。通過控制合成條件，優化了PtMo/C的粒徑，與商業Pt/C相比，具有最大化的ORR活性，并且在加速降解試驗(ADTs)后表現出較高的耐久性。
相關研究工作以“Gas-Phase Synthesis of PtMo Alloy Electrocatalysts with Enhanced Activity and Durability for Oxygen Reduction Reaction?”為題發表在國際頂級期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。

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8.?ACS Catalysis：S摻雜GCN增強Pt-N配位提高Pt基催化劑ORR活性

浙江大學孫文平研究員與中國科學技術大學鄭旭升副教授課題組提出以石墨相氮化碳（GCN）為載體，通過采用S原子摻雜取代吡啶N位點誘導GCN中的電荷再分配，使得與S相鄰的C和N原子處于缺電子狀態，缺電子狀態的N原子更易與Pt成鍵，增加了異質界面處的Pt-N的配位數，從而強化了金屬-載體間的相互作用。該配位調控使得Pt的5d電子密度降低，d帶中心下移，有利于含氧中間體，尤其是OH^*的快速脫附，因而加速了ORR反應的動力學，實現了Pt基催化劑活性與穩定性的同步提高。該研究成果以“Sulfur Doping Triggering Enhanced Pt-N Coordination in Graphitic Carbon Nitride-Supported Pt Electrocatalysts toward Efficient Oxygen Reduction Reaction”為題發表在知名期刊ACS Catalysis上。

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