氧還原反應(ORR)動力學緩慢和Pt基催化劑耐久性不佳嚴重阻礙了質子交換膜燃料電池(PEMFCs)的商業化。
基于此,福州大學程年才教授等人報道了通過活性氮摻雜多孔碳(a-NPC)的約束效應,定制了由Pt基金屬間核施加的Pt皮的晶格壓縮應變,以實現高效的ORR。優化后的L12-Pt3Co@ML-Pt/NPC10催化劑具有優異的質量活性(1.72 A mgPt?1)和比活性(3.49 mA cmPt?2),分別是商用Pt/C的11倍和15倍。
此外,L12-Pt3Co@ML-Pt/NPC10在30000次循環后仍保持98.1%的質量活性,100000次循環后仍保持95%的質量活性,而Pt/C在30000次循環后僅保持51.2%的質量活性。
在ORR關鍵中間體的PDOS中,O-物種的S軌道表現出顯著的線性相關,表明中間體轉化效率高,降檔趨勢揭示了高效還原過程。
作者模擬了純Pt、L12-Pt3Co@1ML-Pt和L12-Pt3Co@2ML-Pt上的四-電子(4e?)ORR過程的自由能圖。L12-Pt3Co@1ML-Pt和L12-Pt3Co@2ML-Pt的氧吸附較純Pt明顯減弱(小G*O-G*OH),減輕了中間*OH在Pt上的過量吸附。
但L12-Pt3Co@2ML-Pt的氧吸附強度太弱,導致從*OH的去除到*O2的活化有一個決定速率的步驟轉移
此外,聚集在表面Pt原子附近的電子可以在ORR中快速地向反應中間體提供電子,進一步促進電催化過程。
對于Pt基合金催化劑,不同金屬(Cr、Mn、Fe、Co、Zn)的引入通過誘導相應的晶格應變導致Pt的d-帶中心發生位移,導致Pt原子對中間體的吸附性質不同,最終調節催化劑的性能同時,L12-Pt3Co@1ML-Pt催化劑由于其更合適的晶格應變和比表面電子結構,具有最接近火山頂部的性能。
Tailored Lattice Compressive Strain of Pt-skins by the L12-Pt3M Intermetallic Core for Highly Efficient Oxygen Reduction. Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202301310.
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