​Carbon Energy：需要抗中毒催化剂？金属纳米粒子与电解液的界面选择性来帮忙！

在过去的几十年里，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFCs)和磷酸燃料电池(PAFCs)已被开发用于环保汽车和高效固定式发电厂，这是由于关键材料的开发取得了显著进展，特别是用于慢氧还原反应(ORR)的电催化剂。然而，活性位点与电解质之间的界面技术问题，仍然是PEMFCs和PAFCs面临的挑战。特别是，由于PAFCs直接使用高浓度磷酸溶液作为电解液，Pt基催化剂具有明显的中毒效应，ORR活性较低。因此，为了提高PAFCs的性能，有必要开发一种具有高ORR活性和能抗中毒的新型催化剂。

基于此，韩国忠南大学Namgee Jung等人制备了可以作为分子筛层(MSL)的超薄碳壳包裹Pt基纳米颗粒组成的抗中毒催化剂。

为了直接探究不同缺陷密度的碳MSLs的分子筛效应，测试了Pt@MSL催化剂在加入和不加入0.1 M H₃PO₄的0.1 M HClO₄溶液中的ORR性能。与在不含H₃PO₄的0.1 M HClO₄溶液中的测试结果相比，在含有H₃PO₄的HClO₄溶液中，商业Pt/C的ORR活性显著降低，这主要是由于磷酸阴离子的强吸附导致活的性位点数量减少。然而，Pt@MSL催化剂的碳壳结构导致了其电化学性能的有趣变化，随着碳壳从Pt@MSL7-0到Pt@MSL7-20变得更加多孔，无论是在加入或不加入0.1 M H₃PO₄的0.1 M HClO₄溶液中，催化剂的ORR活性都增加。

有趣的是，Pt@MSL7-10和Pt@MSL7-20催化剂在H₃PO₄和HClO₄混合溶液中表现出比商业Pt/C催化剂更优异的性能，而在0.1 M HClO₄中表现出较低的活性。为了使两种电解质溶液中的催化剂的ORR性能最大化，利用制备Pt@MSL催化剂相同的退火温度和气体气氛下制备了Pt₃Fe₁@MSL催化剂。

与Pt@MSL7催化剂相比，Pt₃Fe₁@MSL7催化剂表现出显著改善的ORR性能，这是由于在有和没有0.1 M H₃PO₄的0.1 M HClO₄溶液中的合金效应。然而，Pt₃Fe₁@MSL7-20的质量活性与Pt₃Fe₁@MSL7-10相比大大降低，这主要是由于分子筛效应的显著降低(21%)。结果表明，在制备的样品中，由于附加的合金效应和分子筛效应，Pt₃Fe₁@MSL7-10催化剂在H₃PO₄混合电解质中对ORR显示出最高的质量活性。

为了有效地防止磷酸盐离子对催化剂的中毒效应，同时提高催化剂的ORR活性和稳定性，本文设计了碳MSL包覆的Pt和Pt₃Fe₁催化剂。通过改变形成MSL的退火条件，在原子水平上对碳壳的孔结构进行了合理的调节，以最大限度地减少磷酸阴离子吸附，并允许O₂分子优先在Pt表面反应。深入的电化学研究已经明确地证明了碳壳的分子筛效应，适当的碳壳孔结构使得催化剂在电解质中的ORR活性(高耐毒性)差异非常小，因为它可以允许O₂分子对磷酸盐离子的选择性吸附。

此外，在长时间的稳定性测试中，碳壳成功地阻止了金属纳米粒子的溶解，表明催化剂具有良好的稳定性。因此，本文认为碳壳包覆策略将为高性能PAFCs的Pt基催化剂设计提供见解。

Antipoisoning Catalysts for the Selective Oxygen Reduction Reaction at the Interface Between Metal Nanoparticles and the Electrolyte, Carbon Energy, 2023, DOI: 10.1002/cey2.293.

https://doi.org/10.1002/cey2.293.