赵天寿院士/曾林/刘碧录，最新ACS Catalysis！

第一作者：Yuting Jiang

通讯作者：赵天寿、曾林、刘碧录

通讯单位：南方科技大学、香港科技大学、清华大学

论文速览

纳米尺寸的铂-过渡金属（Pt-TM）合金，因其高催化活性和稳定性，被认为是氧还原反应（ORR）的有希望的催化剂。然而，制备金属间化合物Pt合金纳米粒子仍然是一个难题，因为它们在高温合成过程中有明显的烧结倾向。

在这里，我们通过使用碳载Pt-吡咯配合物和过渡金属（TM = Fe, Co, Ni）盐作为前驱体，合成了几种平均尺寸为4nm的Pt金属间化合物。透射电子显微镜（TEM）结果表明，Pt-吡咯配合物在碳载体上的均匀预生长，以及在退火过程中衍生的氮掺杂碳壳层（<1nm）对纳米尺寸金属间化合物的形成起到了促进作用。

其他表征表明，金属间合金结构赋予了催化剂（PtCo@Pt/C6）下移的Pt d带中心，这意味着Pt合金上ORR中间体的吸附减弱，从而促进了ORR动力学。

使用所制备的PtCo@Pt/C-6催化剂的燃料电池在0.67V（H₂/空气）时显示出额定峰值功率密度为1.1 W/cm²，并且在0.9V时的质量活性为0.49 A/mg_Pt，超过了美国能源部（1.0 W/cm²和0.44 A/mg_Pt）的目标。

这种方法展示了可扩展合成高ORR性能的PtTM/C催化剂的巨大潜力，并促进了它们在PEMFCs中的应用。

图文导读

图1：展示了有序PtTM和PtT₃M合金的制备过程示意图以及不同退火温度下PtCo催化剂的XRD图谱。

图2：通过STEM和HAADF-STEM技术对PtCo@Pt/C-6催化剂的形貌进行了表征，展示了纳米合金在碳载体上的均匀分布。

图3：对催化剂的电子结构进行了表征，包括Pt 4f的XPS谱图、Pt L₃-edge和Co K-edge的XANES谱图以及Pt L₃-edge的EXAFS谱图。

图4：展示了催化剂在旋转圆盘电极（RDE）测量中的氧还原反应（ORR）性能，包括CV和LSV曲线以及耐久性测试结果。

图5：展示了PtCo@Pt/C-6和Pt/C在燃料电池中的性能，包括燃料电池设置示意图、极化曲线、与DOE目标的性能指标对比以及峰值功率密度的比较。

总结展望

本研究成功合成了尺寸均匀、分散良好的纳米级Pt金属间化合物，这些化合物作为PEMFCs中的ORR催化剂，展现出了优异的催化活性和稳定性。

通过XPS和XAS结果表明，合金中Pt的d带中心较低，有利于提高ORR性能。实验结果表明，使用PtCo@Pt/C-6催化剂的膜电极组件（MEA）在0.9V时的质量活性达到0.49 A/mg_Pt，超过了美国能源部（DOE）的目标（0.44 A/mg_Pt），并且在耐久性测试后仅损失32 mV，远低于Pt/C催化剂的78 mV。

这些结果证明了PtCo@Pt/C-6催化剂在PEMFCs中的实际应用潜力，为开发高性能、高稳定性的Pt基合金催化剂提供了新途径。

文献信息

标题：Pt−Pyrrole Complex-Assisted Synthesis of Carbon-Supported Pt Intermetallics for Oxygen Reduction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

期刊：ACS Catalysis

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