【引言】

質子交換膜燃料電池（PEMFC）通過燃料的布朗耦合氧化和氧氣還原將儲存在燃料（如氫氣或酒精）中的化學能轉化為電能。在該能量轉換裝置中，大學的鉑（Pt）作為催化劑在氧化和還原反應過程中是孫守屬間必不可少的。但是恒J化合，Pt催化劑本身顯示出緩慢的布朗4-電子氧還原反應（ORR）動力學并且在腐蝕性反應環境中缺乏所需的長期穩定性，這是大學的我們不希望的。因此，孫守屬間通過理解Pt與許多含氧反應中間體的恒J化合結合能以及通過使Pt與第一行過渡金屬M合金化，致力于改善Pt上的布朗ORR催化。

【成果簡介】

近日，大學的在美國布朗大學孫守恒教授（通訊作者）課題組的孫守屬間帶領下，與美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、恒J化合加拿大達爾豪西大學、布朗美國布魯克海文國家實驗室和華中科技大學合作，大學的報道了如何穩定金屬間化合的孫守屬間L1₀-MPt合金納米顆粒（NPs）結構中的第一行過渡金屬，以及如何用Pt的原子層圍繞L1₀-MPt以增強Pt催化劑用于燃料電池的氧還原反應（ORR）。以8nm FePt納米粒子為例，證明了Fe可以在具有5埃Pt殼層的核/殼結構化L1₀-FePt/Pt中更有效地穩定。Fe在合金核心中的存在誘導了薄Pt殼的壓縮，特別是Pt殼的兩個原子層，進一步改善了ORR催化。這導致在0.1M HClO₄溶液（在室溫和60℃）和在80℃的膜電極組件（MEA）中Pt的ORR性能大大提高。L1₀-FePt/Pt催化劑在半電池ORR測試中具有0.7A/ mg_Pt的質量活性，并且在MEA中，80°C下在0.6和0.95V之間的30000次循環后沒有顯示出明顯的質量活性損失，達到美國能源部2020年目標（質量活性損失<40％）。相關成果以題為“Fe Stabilization by Intermetallic L1_0-FePt and Pt Catalysis Enhancement in L1₀-FePt/Pt Nanoparticles for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Fuel Cells”發表在了J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文導讀】

圖1 不同納米顆粒的微觀形貌表征

（A）C-L1₀-FePt NPs的TEM圖像；

（B）L1₀-FePt NPs的二維EELS元素映射圖像，其中Fe為綠色，Pt為紅色；

（C）L1₀-FePt NP的STEM-EELS線掃描；

（D）C-L1₀-FePt/Pt NPs的TEM圖像。

（E）L1₀-FePt/Pt NP的二維EELS元素映射圖像，其中Fe為綠色，Pt為紅色；

（F）L1₀-FePt/Pt NP的STEM-EELS線掃描。

圖2 L1₀-FePt?NP和L1₀-FePt/Pt?NP的HAADF-STEM圖像表征

（A）代表性L1₀-FePt NP的HAADF-STEM圖像；

（B）代表性L1₀-FePt / Pt NP的HAADF-STEM圖像；

（C）L1₀-FePt / Pt NP具有約2個Pt殼原子層及其放大圖

圖3 L1₀-FePt?NP和L1₀-FePt/Pt?NP的結構表征

（A）L1₀-FePt NPs的Pt L₃-edge；

（B）L1₀-FePt NPs的Fe K-edge；

（C）L1₀-FePt/Pt NPs的Pt L₃-edge；

（D）L1₀-FePt/Pt NPs的Fe K-edge；

（E）L1₀-FePt和L1₀-FePt/Pt的XRD圖譜。L1₀（fct型）FePt的標準峰用藍線表示（JCPDS：65-1051）。

圖4 L1₀-FePt/Pt催化劑的電化學性能表征

（A）L1₀-FePt在壽命初期（BOL）和ADT測試（在60℃，在氧飽和的1M HClO4中5000次循環）測試后的ORR極化曲線；

（B）L1₀-FePt/Pt和商業Pt在BOL和ADT測試（在60℃下在氧飽和的1M HClO₄中5000次循環和10000次循環）測試后的ORR極化曲線；

（C）L1₀-FePt/Pt和商業Pt催化劑在BOL和ADT測試后的質量活性；

（D）L1₀-FePt/Pt和商業Pt催化劑在BOL和ADT測試后的半波電位變化。

圖5 L1₀-FePt/Pt催化劑的活性表征

（A）商業TKK-Pt和L1₀-FePt/Pt催化劑在組裝的MEA上的H₂-空氣燃料電池極化曲線；

（B）在ADT期間的商業TKK-Pt，L1₀-FePt/Pt和8nm Pt催化劑在燃料電池中高達30000次循環的電化學活性表面積；

（C）在ADT期間的商業TKK-Pt，L1₀-FePt/Pt和8nm Pt催化劑在燃料電池中高達30000次循環的質量活性。

圖6 組裝成MEA測得H₂-空氣燃料電池極化曲線

分別由L1₀-FePt/Pt（22wt％的Pt負載率，Pt負載量為0.103mg_Pt/cm²）和8nm Pt催化劑（23wt％的Pt負載率，Pt負載量0.097mg_Pt/cm²）組裝成MEA記錄的H₂-空氣燃料電池極化曲線。

【小結】

團隊提供的證據表明，具有?2原子層的Pt殼的金屬間化合的L1₀-FePt/Pt對于活性ORR催化的快/深Fe蝕刻是化學穩定的。光滑的薄Pt殼由于其與L1₀-FePt核的外延結合而被壓縮，并且核/殼L1₀-FePt/Pt NPs比8nm Pt納米顆粒或商業TKK-Pt納米顆粒（2nm）具有更高的催化活性，在燃料電池測試中顯示出優異的質量活性，并具有更好的耐久性。作為比較，在相同的燃料電池測試條件下，商業TKK-Pt的質量活性下降了56％。 團隊正在努力縮小L1₀-FePt納米粒子的尺寸以實現更高的質量活性。此外，團隊正在擴展這一概念，并正在準備其他L1₀-MPt/Pt納米顆粒（M = Co或CoNi）作為PEMFC應用的強大催化劑。

文獻鏈接：Fe Stabilization by Intermetallic L1₀-FePt and Pt Catalysis Enhancement in L1₀-FePt/Pt Nanoparticles for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Fuel Cells（J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.7b12829）

本文由材料人編輯部學術組木文韜編譯，材料牛整理編輯。

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