低鉑含量聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）的發(fā)展一直受到催化劑與陰極催化劑層中的離聚體接觸時(shí)氧還原反應(yīng)（ORR）活性地降低和氧傳質(zhì)阻力的阻礙。在這項(xiàng)研究中，卡爾加里大學(xué)Karan Kunal等人介紹了一種制備球形碳載體的策略，制備出的催化劑具有氮摻雜，能夠使鉑催化劑均勻分散。
設(shè)計(jì)策略包括四個(gè)目標(biāo)：（1）將Pt納米顆粒的大小控制在1.8-3 nm范圍內(nèi)，以獲得最佳的配位數(shù)；（2）使Pt納米顆粒在具有高Pt-Pt距離的催化劑載體上均勻分散，以緩解區(qū)域效應(yīng)；（3）挑戰(zhàn)利用較大的球形催化劑載體（~130 nm）產(chǎn)生較大的催化層孔，從而通過分子擴(kuò)散而不是限制性Knudsen擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)催化層O2輕松傳輸。N-官能團(tuán)在碳基催化劑載體表面的均勻分布，產(chǎn)生良好的載體-碳相互作用，研究發(fā)現(xiàn)催化劑展現(xiàn)出638±68 mA mgPt?1的高 ORR 質(zhì)量活性在膜電極組件中在 0.9 V 和 100% 相對(duì)濕度下。
高分辨率電子顯微鏡和幾乎與濕度無(wú)關(guān)的雙層電容直接證明了碳載體表面均勻分布的氮官能團(tuán)促進(jìn)了離聚物的高覆蓋。碳表面的親水性質(zhì)確保了在廣泛的相對(duì)濕度范圍內(nèi)操作的高活性和性能。具有挑戰(zhàn)性的較大碳載體（~135 nm）與有利的離聚體膜結(jié)構(gòu)的結(jié)合被認(rèn)為是由離聚體的離子部分和催化劑載體的氮功能基團(tuán)的相互作用而產(chǎn)生的，從而使超低Pt負(fù)載（34 ±2 μgPt cm-2）催化劑層具有前所未有的低局部氧傳輸阻力（5.0s cm-1）。
催化劑/載體設(shè)計(jì)策略的成功實(shí)施證明了在表面上均勻分布N-功能基團(tuán)的較大催化劑載體的優(yōu)勢(shì)：（a）實(shí)現(xiàn)具有可控尺寸和粒間距離的Pt催化劑的均勻和良好分散的沉積，這兩者都導(dǎo)致有效的高ORR活性; （b）離聚體和N-功能基團(tuán)之間的良好相互作用實(shí)現(xiàn)Pt/載體的高離聚體覆蓋率，從而高催化劑利用率；（c）受較大催化層孔隙和區(qū)域效應(yīng)影響的催化劑層氧傳輸阻力的降低。催化劑/載體設(shè)計(jì)策略的成功實(shí)施展現(xiàn)了在催化劑載體表面均勻分布氮官能團(tuán)的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)示著可以通過合理的催化劑載體設(shè)計(jì)策略來(lái)開發(fā)下一代催化劑。
Designing fuel cell catalyst support for superior catalytic activity and low mass-transport resistance, Nat. Cummun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-33892-8 https://www.nature.com/articles/s41467-022-33892-8.
