Science：双金属催化剂：超低负载量Pt-Co燃料电池催化剂

木文韬 5年前 (2018-12-14) 13408浏览

【引言】

在质子交换膜燃料电池(PEMFCs)中，由于氧还原反应(ORR)的缓慢动力学，需要3到5倍的Pt。Pt的高成本和稀缺性促使人们努力减少Pt的使用。在燃料电池中，膜电极中的催化剂易于与反应物（O₂）接触，使其产生高电流密度。但是在极低Pt负载限制下，形成少量的晶体，在电极表面没有足够多的晶体与O₂接触，导致燃料电池电流下降。以金属-有机框架（MOF）或多孔有机聚合物制备的催化剂在整个电极中具有大量和均匀活性位点。然而，关键的缺点是在PEMFCs中的差稳定性。不同于Pt催化剂，其活性降低主要是晶粒的溶解和团聚，一个可能的原因是ORR过程中产生H₂O₂的影响。如果超低负载量Pt和PGM-Free的催化剂的缺点通过协同相互作用相互补偿，则可以显著降低Pt的使用，同时保持优异的活性和耐久性。

【成果简介】

今日，在美国阿贡国家实验室刘迪嘉研究员（通讯作者）团队的带领下，与普渡大学和上海交通大学合作，通过使用一种以Co或双金属Co和Zn沸石咪唑酯骨架为前驱体，制备超负载Pt含量高活性稳定的电催化剂的方法。由于Pt-Co核-壳纳米颗粒之间的协同催化作用，燃料电池在1个氧气或空气的大气压下，高压和高电流条件时都具有优异的催化性能。两种催化剂的ORR质量活性为1.08 A mg_Pt^-1和1.77 A mg A mg_Pt^-1，在燃料电池中进行30000次CV循环后，其质量活性保留了64％和15％的初始值。计算模型显示Pt-Co纳米粒子和PGM-Free位点之间的相互作用改善了ORR活性和耐久性。相关成果以题为“Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell catalysts derived from imidazolate frameworks”发表在了Science上。