西安交通大學(xué)蘇進(jìn)展課題組報(bào)道了一種結(jié)構(gòu)有序并錨定在石墨化碳上的鉑鎳納米合金氧還原（ORR）催化劑。得益于石墨化碳的高比表面積以及納米合金顆粒有序結(jié)構(gòu)，這種鉑鎳納米顆粒在基于旋轉(zhuǎn)圓盤電極以及質(zhì)子交換膜燃料單電池的兩種測(cè)試中都表現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化氧還原活性和耐久性。
圖1. 結(jié)構(gòu)有序PtNi/GC的制備與測(cè)試示意圖 圖4.結(jié)構(gòu)有序PtNi/GC和商業(yè)Pt/C的電化學(xué)表征: (a) 在0.1 M HClO4電解質(zhì)中掃描速率為5 mV·s?1的線性掃描伏安測(cè)試圖；(b) 在0.1 M HClO4電解質(zhì)中掃描速率為50 mV·s?1的循環(huán)掃描伏安圖; (c) 0.9 V（相對(duì)于標(biāo)氫電極）的質(zhì)量活性和比活性；(d) 加速退化測(cè)試前后質(zhì)子交換膜燃料電池測(cè)試的極化曲線。 質(zhì)子交換膜燃料電池因其較高的轉(zhuǎn)換效率和零污染和零排放被認(rèn)為是最重要的氫能應(yīng)用終端之一。降低質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑中的貴金屬含量一直是提高燃料電池商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)關(guān)鍵因素，而開發(fā)高活性的低鉑（Pt）催化劑是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。合成高活性Pt基納米顆粒的研究主要集中在Pt與過渡金屬的合金化方面，進(jìn)而構(gòu)建富Pt表面并暴露高指數(shù)面。此外，近年來由于石墨碳(GC)具有比傳統(tǒng)碳粉更強(qiáng)的抗電化學(xué)氧化能力和熱穩(wěn)定性，并且具有高孔隙率和強(qiáng)的金屬-碳相互作用，可為金屬原子提供豐富的錨定位點(diǎn)，常被選擇作為催化劑載體。然而，微觀結(jié)構(gòu)無序的碳向高度有序的石墨碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變通常需要極高的溫度(2400-3000 °C)，導(dǎo)致合成過程能量消耗大，工序復(fù)雜。 引入過渡金屬如鐵、鈷、鎳可以作為催化劑，可以將碳的石墨化溫度降低到1700°C以下?；谶@一特點(diǎn)，西安交通大學(xué)蘇進(jìn)展課題組采用一種簡(jiǎn)單的方法成功合成了負(fù)載在石墨碳上的有序的PtNi金屬間催化劑。通過高溫退火實(shí)現(xiàn)PtNi金屬間催化劑轉(zhuǎn)化為有序合金結(jié)構(gòu)，顯著提高了ORR性能。此外，由于使用了高度石墨化的碳載體和有序結(jié)構(gòu)良好的抗腐蝕性，合成的催化劑（Pt負(fù)載為27.6%）在旋轉(zhuǎn)圓盤電極（RDE）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的測(cè)試中都顯示了比商業(yè)Pt/C催化劑更高的活性和ORR反應(yīng)耐久性。其中在RDE測(cè)試中，PtNi/GC-700在0.9V（相對(duì)于標(biāo)氫電極）時(shí)具有0.52A·mgPt-1的質(zhì)量活性和0.69mA·cm-2的比活性，分別是商業(yè)Pt/C的3.7倍和2.8倍。此外，PtNi/GC-700作為PEMFC的陰極催化劑，在相同的Pt負(fù)載下，與商業(yè)Pt/C相比表現(xiàn)出更高的活性和耐久性。這項(xiàng)工作表明，利用有序的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的支持材料，可以有效提高鉑基電催化劑的性能，獲得高性能低貴金屬電催化劑。 論文信息 Structurally Ordered PtNi Intermetallic Nanoparticles as Efficient and Stable Cathode Catalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cells Lubing Li, Lei Zhang, Tianyu Zhai, Sheng Yang, Weiding Wang, Di Zhou, Jinzhan Su,* and Liejin Guo 李魯冰，張蕾，翟田雨，楊升，王偉丁，周迪，蘇進(jìn)展*，郭烈錦 Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202300099
