第一作者：彭博思, Zeyan Liu

通訊作者：黃昱、Alessandro Fortunelli

通訊單位：加州大學洛杉機分校、意大利國立研究委員會

彭博思，本科畢業于武漢大學，博士畢業于美國加州大學洛杉磯分校，導師為段鑲鋒教授/黃昱教授，現為美國西北大學Edward H. Sargent院士團隊博士后。

論文速覽

鉑(Pt)納米催化劑對于促進質子交換膜燃料電池中的陰極氧還原反應是必不可少的，但是在活性和耐久性之間存在折衷。

本研究成功設計了一種新型的鉑基納米催化劑，該催化劑由稀疏嵌入的氧化鈷簇（CoO_x）和鉑（Pt）納米粒子組成（CoO_x@Pt）。這種設計利用了Pt與氧化物之間的強相互作用，使得催化劑在不犧牲活性的情況下，具有高結構和化學耐久性。

CoO_x@Pt納米催化劑在膜電極組件中表現出高初始質量活性1.10 A mg_Pt^?1，額定功率密度1.04 W cm^?2，以及Pt利用率10.4 W mg_Pt^?1。在經過加速應力測試后，它顯示出極高的耐久性，質量活性保持率為88.2%，電流密度為0.8 A cm^?2時電壓損失僅為13.3 mV，額定功率損失僅為7.5%。這種耐久性可以提供15,000小時的長預期壽命，從而大幅降低壽命調整成本。

圖文導讀

圖1：燃料電池的架構和CoO_x@Pt/C催化劑的設計。

質子交換膜和催化劑層組成MEA，CoO_x@Pt核殼納米催化劑的設計優勢，如強金屬-氧化物相互作用，減少金屬溶解，以及改善電子傳輸。

圖2：CoOx@Pt/C催化劑的合成和結構表征。

催化劑的均勻分散性，平均粒徑尺寸，以及Co和Pt元素的分布情況。此外，通過STEM-EELS和XPS表征確認了CoO_x在Pt納米粒子內部的稀疏分散。

圖3：CoOx@Pt/C、c-PtCo/C和c-Pt/C催化劑的MEA性能對比。

不同催化劑在H₂/O₂和H₂/空氣測試中的起始和結束壽命的質量活性(MA)，額定功率密度，Pt利用率，以及在不同電流密度下的電壓損失。特別強調了CoO_x@Pt/C催化劑在耐久性測試中的卓越性能。

圖4：催化劑在MEA中的大小分布、組成和CO剝離分析。

不同催化劑在開始和結束壽命時的粒徑尺寸變化，Pt質量損失，以及Co含量的變化。這些分析揭示了CoO_x@Pt/C催化劑在抑制Pt溶解和粒徑增長方面的優勢。

圖5：模擬結果展示了代表性全局最小(GM)構型。

Pt₇₈、Pt₇₇Co和Pt₇₇CoO₆納米催化劑的原子配置、形成能、功函數和氧吸附能量分布。這些模擬結果解釋了CoO_x@Pt/C催化劑在抗氧化溶解和Ostwald熟化過程中的高穩定性。

總結展望

本研究開發的CoO_x@Pt/C納米催化劑在燃料電池中展現出卓越的性能和耐久性。通過嵌入CoO_x簇，不僅增強了Pt的電子結構，提高了催化活性，還顯著提高了催化劑的穩定性。

實驗和模擬結果均證實了CoO_x@Pt/C納米催化劑具有高熱力學穩定性和減少的氧化溶解傾向。在MEA測試中，CoO_x@Pt/C催化劑實現了高的質量活性、額定功率密度和Pt利用率，以及在經過30,000次方波AST后的高耐久性，這些性能均優于現有的最先進的催化劑和美國能源部（DOE）的相關目標。

預計CoO_x@Pt/C催化劑能夠支持燃料電池長達15,000小時的使用壽命，這為降低燃料電池系統的終身成本提供了重大突破，并為提高質子交換膜燃料電池（PEMFCs）的商業可行性，特別是對于重型應用，提供了重要潛力。

文獻信息

標題：Embedded oxide clusters stabilize sub-2?nm Pt nanoparticles for highly durable fuel cells

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01180-x