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2022年7月26日Nature Nanotechnology在線發表了美國加州大學洛杉磯分校黃昱教授在燃料電池領域的最新成果“Graphene-nanopocket-encaged PtCo nanocatalysts for highly durable fuel cell operation under demanding ultralow-Pt-loading conditions”。其中，美國加州大學洛杉磯分校為第一通訊單位，段鑲鋒教授作為本文作者之一，這也是黃昱/段鑲鋒夫婦聯手在燃料電池領域一篇具有里程碑的文章，實現了在超低Pt負載條件下超高耐用的燃料電池，從而為進一步在新能源汽車中的應用和節能減排邁出了重要的一步！

質子交換膜燃料電池（PEMFC）作為一種有吸引力的清潔能源，有望在實現碳中和的過程中發揮舉足輕重的作用，但PEMFC的廣泛使用的前提是大幅減少昂貴的鉑族貴金屬（PGM）催化劑的使用。鉑（Pt）族金屬是目前商業化PEMFC 不可或缺的催化劑材料，尤其是用于加速緩慢的陰極氧還原反應。但PGM的高成本和有限的儲備是廣泛應用PEMFC的最關鍵障礙。為了更廣泛地應用PEMFC，非常希望減少PGM的使用，這促使全世界努力開發更具活性和更耐用的催化劑。

由于幾個內在的權衡因素，在超低PGM負載下的實際PEMFC中同時實現研究目標具有根本性的挑戰。為了減輕由減少PGM負載引起的限制，可以減小催化劑尺寸以形成超細納米催化劑，從而產生高電化學表面積。然而，具有高表面體積比的超細納米顆粒在熱力學上不太穩定，易于通過物理聚結或Ostwald熟化過程導致尺寸大幅增長，從而導致電化學表面積逐漸減少，最終產生較差的耐用性。

因此，希望將MEA中的PGM負載降低到超低水平，這加劇了保持長期運行耐久性的挑戰。特別是，在較低的PGM負載下維持相同的功率密度（或電流密度）意味著給定催化位點上的更高周轉頻率，這需要更快的氧氣輸送和水去除，這可能會加速溶解的Pt原子的擴散和Ostwald熟化過程，從而進一步加劇了 PEMFC循環過程中的催化劑降解。

在此，美國加州大學洛杉磯分校黃昱教授和段鑲鋒教授等人設計了一種石墨烯納米袋包覆的鉑鈷（PtCo@Gnp）納米催化劑，該催化劑憑借石墨烯納米袋的非接觸外殼，在超低PGM負載（0.070 mg_PGM??cm^-2）下展現出優異的電化學可及性和出色的耐久性。通過這種設計，將超細催化劑包裹在非接觸式石墨烯納米袋中不僅可以實現電化學可及性，還可以限制催化劑聚結并延緩氧化溶解、擴散和Ostwald熟化過程。

同時，PtCo@Gnp提供了1.21 A mg_PGM^-1的最優異的質量活度，13.2 W mg_PGM^-1的額定功率和經過加速耐久性試驗后，質量活性保留率為73%。此外，隨著額定功率和耐用性的大幅提高，展現了一個PGM負載為6.8g的90 kW PEMFC車輛，其接近典型催化轉化中使用的負載。憑借在超低PGM負載下的高額定功率和高耐用性，PtCo@Gnp可以將90 kW 燃料電池汽車所需的PGM大幅降低至6.8 g左右，其接近典型催化轉化中使用的負載。眾所周知，系統成本和耐用性是廣泛采用PEMFC的兩個最關鍵的障礙。本文的研究正好解決了這些關鍵挑戰，標志著朝著大幅減少PGM負載邁出了關鍵一步，同時在實際燃料電池中保持了非凡的耐用性，以便更廣泛地采用。

圖1. 納米袋設計和PtCo@Gnp結構的表征

圖2. Pt/C、c-PtCo/C和PtCo@Gnp與文獻中的代表性催化劑進行比較

圖3. 在H₂/空氣下測試的具有超低PGM負載的MEA的極化圖

圖4. EOL催化劑的表征、尺寸分布分析和相應的MEA測試結果

Zhao, Z., Liu, Z., Zhang, A. et al. Graphene-nanopocket-encaged PtCo nanocatalysts for highly durable fuel cell operation under demanding ultralow-Pt-loading conditions. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01170-9

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