Small：超薄Co-N-C层修饰Pt-Co金属间纳米粒子实现高效氧还原和甲醇氧化反应

低温聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，如氢PEM燃料电池(PEMFCs)和直接甲醇燃料电池(DMFCs)，因其较高的能量密度和转换效率，被广泛认为是下一代能量转换器件。然而，阴极氧还原反应(ORR)和阳极甲醇氧化反应(MOR)由于多种反应物或中间体的转化而表现出相当慢的反应动力学。Pt电催化剂是ORR和MOR的常用催化剂，但是Pt不断上涨的价格和有限的可用性限制了其的大规模使用。因此，设计含过渡金属的Pt合金是降低Pt含量和提高Pt催化剂电催化活性的一种有前景的策略。

基于此，华南理工大学廖世军等人提出了一种制备高性能复合催化剂的简便方法，该复合催化剂包括Pt-Co金属间纳米粒子(IMN)和Co，N共掺杂碳(Co-N-C)电催化剂。

根据所有催化剂的极化曲线可以发现，fct-PtCo@Co-N-C催化剂表现出更好的ORR活性，表现出更正的半波电位(E_1/2，0.95 V)，其中fct-PtCo/C，Co-N-C和商业Pt/C的E_1/2分别为0.93，0.75和0.87 V。虽然fcc-PtCo/C的初始E_1/2为0.93 V，但在0.75 V的循环伏安(CV)曲线中可以观察到明显的Co氧化峰，随着CV循环的增加，Co氧化峰逐渐消失。这证实了PtCo合金纳米粒子中Co的连续溶解或存在不稳定的、无序的fcc-PtCo纳米粒子。

此外，结构的快速变化导致fcc-PtCo/C的半波电位在50个CV循环后衰减约30 mV。之后，本文根据极化曲线还得到了催化剂的Tafel斜率，可以用于研究催化剂的ORR动力学。与Pt/C(71 mV dec^-1)、fct-PtCo/C(69 mV dec^-1)和Co-N-C(143 mV dec^-1)相比，fct-PtCo@Co-N-C(65 mV dec^-1)具有最小的Tafel斜率，因此其具有最快的ORR动力学。

值得注意的是，fct-PtCo@Co-N-C在0.95 V时的质量活性为0.44 A mg_Pt^-1，是fct-PtCo/C和Pt/C(分别为0.20和0.03 A mg_Pt^-1)的1.7倍和11.3倍。在0.9 V时，fct-PtCo@Co-N-C的质量活性为1.96 A mg_Pt^-1，是fct-PtCo/C和Pt/C的2.06和12.25倍(分别为0.95和0.16 A mg_Pt^-1)。

更重要的是，对于MOR，在相同的催化剂负载下，尽管PtCo基催化剂中的Pt含量仅为Pt/C催化剂的60%，但PtCo基催化剂的电流密度显著增加。在峰值电流密度下，fct-PtCo@Co-N-C的质量活性为2.92 A mg_Pt^-1，分别是fct-PtCo/C和商业Pt/C的1.45和3.28倍(分别为2.02和0.89 A mg_Pt^-1)。总之，本文制备的fct-PtCo@Co-N-C催化剂表现出更高的ORR和MOR活性。

根据以上研究结果可以发现，本研究成功地设计并制备了一种高效稳定的复合电催化剂。该催化剂由有序的PtCo金属间核和Pt-skin壳组成，Co-N-C层有效地控制了粒径，从而使得催化剂具有优异的催化活性，这些结果也是PtCo IMN和Co-N-C之间的协同作用的结果。此外，由于包覆碳层阻止了PtCo IMN的溶解、Oswald成熟、转化和聚集，因此催化剂获得了良好的催化剂稳定性。

令人满意的是，制备的fct-PtCo@Co-N-C催化剂在酸性介质中对ORR和MOR表现出良好的电催化活性和稳定性。综上所述，本研究为Pt基合金催化剂的活性增强和稳定性能提供了新的途径。这些结果可以推广到其他体系，如钯基或钌基合金，以加速其在电化学反应中的实际应用。

Ultrathin Co-N-C Layer Modified Pt–Co Intermetallic Nanoparticles Leading to a High-Performance Electrocatalyst toward Oxygen Reduction and Methanol Oxidation, Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202301337.

https://doi.org/10.1002/smll.202301337.