南昌大学陈义旺教授/袁凯教授《CCS Chemistry》：调控PtCu纳米合金电子局域化实现高性能燃料电池

2023年01月01日07:54:14 科学 1823

阴极氧还原反应(ORR) 和阳极氢氧化反应 (HOR) 是质子交换膜燃料电池(PEMFC) 和金属空气电池极其重要的两个电化学反应。其中，由于ORR迟缓的反应动力学，需要高催化活性的电催化剂来促进反应的快速进行。目前，主流的ORR催化剂仍是基于碳负载铂(Pt/C) 催化剂。然而，在实际严苛的电化学条件下，Pt/C催化剂耐久性较差，铂纳米颗粒经常会发生溶解、迁移、熟化和长大。因此，造成PEMFC器件性能的大幅下降。

基于此，南昌大学陈义旺教授、袁凯教授与华中师范大学邱明教授合作，报道了利用金属载体强相互作用来调节PtCu合金中Pt的电子结构提高催化活性，并改善电催化剂的耐久性。相关工作以“Arranging Electronic Localization of PtCu Nanoalloys to Stimulate Improved Oxygen Electroreduction for High-Performance Fuel Cells”发表在《CCS Chemistry》，本文第一作者为南昌大学硕士研究生吴兵。

首先作者利用熔盐法制备氮掺杂碳纳米片负载Cu纳米颗粒的碳载体，之后利用高温热还原法制备出氮掺杂碳纳米片负载PtCu合金催化剂。从扫描透射电子显微镜(STEM)图和元素Mapping图可以看出PtCu合金催化剂的成功制备。

图1. PtCuNC-700的合成示意图及对应形貌结构表征。

从XRD图谱中可以观察到PtCuNC-700的衍射峰发生明显的偏移，再一次证明PtCu纳米合金成功制备。从X射线光电子能谱(XPS)可以观察到PtCuNC-700中Pt的结合能相比于PtCuC-700和PtNC-700发生明显偏移，证明PtCu合金中Cu以及碳载体中的N共同作用调节了Pt的电子结构。

图2. PtCuNC-700与对比样品的XRD和XPS表征。

利用X射线吸附精细结构技术(XAFS)对PtCuNC-700中Pt原子的电子结构和配位环境信息进行了表征，证明PtCuNC-700中Pt的电子结构被Cu和N共同调节，以及PtCu合金与碳载体形成稳定的Pt-N键，证实PtCu纳米合金与氮掺杂碳载体之间存在强相互作用。

图3. PtCuNC-700与对比样品的同步辐射结构表征。

PtCuNC-700催化剂在酸性环境中表现出比Pt/C催化剂更正的半波电位 (ΔE_1/2= 48 mV)，同时PtCuNC-700更小的Tafel斜率、更好的四电子选择性以及更高的质量活性及比活性。在酸性条件下，30000圈循环后，PtCuNC-700相比于Pt/C，其展现出更优异的循环稳定性。进一步将PtCuNC-700催化剂用作H₂-air PEMFC阴极催化层，器件展现出优异功率密度（929.7 mW cm⁻²）和更好的耐久性，说明其具有良好的应用前景。