在PEMFC操作條件下，高性能的高負(fù)載氧還原反應(yīng) (ORR) Pt金屬間化合物在實(shí)際應(yīng)用中是非常需要的。然而，高金屬負(fù)載量會(huì)導(dǎo)致納米顆粒嚴(yán)重團(tuán)聚和不均勻，其高效合成遭遇了巨大挑戰(zhàn)。這里，提出了一種氧化鈷輔助的結(jié)構(gòu)演化策略，可控地合成高負(fù)載（44.7 wt%）亞6 nm富Pt殼層的Pt1Co1金屬間化合物（Pt1Co1-IMC@Pt）。實(shí)驗(yàn)和理論明確揭示：Pt-Co 原子的有序排列使表面 Pt的d帶中心下降， Pt/Co位點(diǎn)的抗氧化性增強(qiáng)，同時(shí)提高了ORR 活性和耐用性。在旋轉(zhuǎn)圓盤電極測量中，在0.90V vs. RHE電位下，最優(yōu)的催化劑顯示出本征ORR活性最高可達(dá)0.53 A mg-1。基于該催化劑的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有創(chuàng)紀(jì)錄的功率密度（在80 ℃的H2-air/O2條件下為2.30/1.23 W cm-2），和極好的電化學(xué)穩(wěn)定性。值得注意的是，從燃料電池計(jì)算出的MA@0.9 V達(dá)到0.46 A mg-1，超過了2020年DOE目標(biāo)。該研究結(jié)果證明了高負(fù)載Pt1Co1-IMC@Pt/C催化劑優(yōu)越的燃料電池性能，為低Pt催化劑在 PEMFCs中的未來實(shí)際應(yīng)用中開辟了新途徑。
Figure 1.（a）Pt1Co1-IMC@Pt/C催化劑的合成步驟；(b)不同退火溫度下樣品的XRD圖；(c)晶體結(jié)構(gòu)；(d)不同持續(xù)時(shí)間下PtCo/C樣品的結(jié)構(gòu)演變；(e)退火過程中Pt1Co1-IMC@Pt/C催化劑的溫度/時(shí)間演化的離位XRD圖，(f)可能的結(jié)構(gòu)演化機(jī)制示意圖。
Figure 2. (a)低放大倍率TEM圖，(b)尺寸分布直方圖，(c) HRTEM，插圖是700-Pt1Co1-IMC@Pt/C-2.5催化劑的快速傅立葉變換圖像，(d)原子分辨率和(e)放大的STEM圖像，(f–h)元素分布圖，以及(I)線掃。
Figure 3.（a）Pt1Co1-IMC@Pt/C-2.5和商用Pt/C催化劑的CV曲線比較；(b)各種催化劑的ORR LSV曲線；(c)0.9V/RHE的質(zhì)量活性和面積活性；(d-i) Pt1Co1-IMC@Pt/C-2.5和Pt/C催化劑的穩(wěn)定性評(píng)估，包括ADT前后的CV、LSV、 SAs和MAs比較。
Figure 4. (a) Pt1Co1-IMC@Pt (b)純Pt的計(jì)算模型；(c)鉑在兩個(gè)模型結(jié)構(gòu)上的PDOS；(d)U = 0 V時(shí)，ORR過程的能量分布圖；(e)有序和無序Pt1Co1合金結(jié)構(gòu)中鈷位置的氧吸附能。
Figure 5. (a)在H2-空氣條件下，膜電極組件的穩(wěn)態(tài)極化曲線；（b）0.8和0.65 V時(shí)的電流密度；(c) H2-O2燃料電池的性能比較；(d) Pt1Co1IMC@Pt/C和(e)商用Pt/C的H2-空氣燃料電池在AST前后的極化曲線；（f）AST試驗(yàn)后的電壓降和功率密度損失。
該研究工作由上海高等研究院楊輝和鄒亮亮課題組于2021年發(fā)表在Energy Environ. Sci.期刊上。原文：High-loaded sub-6 nm Pt1Co1 intermetallic compounds with highly efficient performance expression in PEMFCs。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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