質(zhì)子交換膜水電解槽(PEMWEs)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)由于具有歐姆阻力小、膜氣體滲透率低、動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點而受到研究者和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，PEMWEs的陰極析氫反應(yīng)(HER)需要經(jīng)受苛刻的腐蝕條件，催化劑容易溶解和失活。
因此，在商業(yè)PEMWE中的電極材料仍然主要是Pt基催化材料，但其具有成本高，儲量稀少，質(zhì)量活性低和在安培級電流密度下耐久性差等局限性，這阻礙了PEMWE的大規(guī)模應(yīng)用。此外，PEMFC的陽極氫氧化反應(yīng)(HOR)會使得Pt基催化劑受到微量CO中毒的威脅。因此，要使PEMWEs和PEMFCs技術(shù)具有競爭力，除了進(jìn)一步提高電極催化材料的效能外，也要增強它們在安培級電流密度下的長期耐用性和在酸性介質(zhì)中的CO耐受性。近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維、韓云虎和奧克蘭大學(xué)王子運等報道了一種高活性和穩(wěn)定的雙功能氫電催化劑(Pt-Er/h-NC)，其中富Pt-Er團(tuán)簇和原子分散的Pt和Er固定在中空的氮摻雜碳上作為有效的活性位點，協(xié)同催化HER和HOR反應(yīng)。性能測試結(jié)果顯示，所制備的Pt-Er/h-NC催化劑在酸性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的HER性能，其在10 mA cm?2電流密度下的過電位為25 mV，優(yōu)于商業(yè)Pt/C；同時，該催化劑還表現(xiàn)出比商業(yè)Pt/C更高的質(zhì)量活性(17.9 A mgPt?1，63.9倍)和TOF(71.1 s?1，7.2倍)。更重要的是，在酸性溶液中，Pt-Er/h-NC在1000 mA cm?2電流密度下持續(xù)運行超過1200小時而沒有發(fā)生電流下降和性能損失。此外，Pt-Er/h-NC作為酸性HOR陽極具有良好的質(zhì)量活性和穩(wěn)定性(0.1 VRHE下運行30000 s/250 h，電流損失6.7%/21.4%)和優(yōu)異的CO耐受性(1000 ppm CO/H2下運行3000 s，活性僅降低9.7%)。實驗結(jié)果和理論計算表明，Pt-Er團(tuán)簇和單個Pt和Er原子具有較高的原子效率，豐富的Pt-Er活性界面有助于提高電催化性能；同時，雙金屬Pt-Er合金團(tuán)簇中的多個Pt原子與相鄰的Er原子鍵合形成了Pt-Er活性中心，提供了更多類型的活性中心，表現(xiàn)出優(yōu)異的酸性HER和HOR性能。此外，多活性中心可以優(yōu)化H2和CO的吸附，促進(jìn)吸附的CO的快速轉(zhuǎn)化，并且由于催化劑表層的Pt和近原子尺度減少了合金的溶解，進(jìn)而增強了Pt-Er/h-NC電催化劑的耐久性。綜上，該項工作不僅證明了Er對Pt電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控是提高Pt-Er/h-NC的HER/HOR活性的關(guān)鍵，也為設(shè)計低Pt含量的耐酸性HER電催化劑和構(gòu)建高CO耐受性的HOR催化劑提供了新的思路。Near-Atomic-Scale Superfine Alloy Clusters for Ultrastable Acidic Hydrogen Electrocatalysis. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c07541
