研究背景
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）是高效的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，因其在電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用而備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的燃料電池材料相比，PEMFCs具有更高的能量密度和更低的環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)。然而，PEMFCs的性能受限于陰極的氧還原反應(yīng)（ORR）緩慢，這導(dǎo)致了商業(yè)化鉑（Pt）催化劑在成本、活性和耐久性方面面臨挑戰(zhàn)。因此，提高催化劑的穩(wěn)定性和活性成為燃料電池研究中的重要課題。近日，上海交通大學(xué)鄔劍波、Tao Deng、高文旆，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)歐文分校Xiaoqing Pan等攜手在“Science Advances”期刊上發(fā)表了題為“Highly stable and active catalyst in fuel cells through surface atomic ordering”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了具有表面金屬間化合物結(jié)構(gòu)的鉑-鐵納米線催化劑（Surf-IM-PtFe NWs），成功實(shí)現(xiàn)了低溫下的原子有序轉(zhuǎn)變，保持了納米線的形狀和高催化活性。通過(guò)限制表面層內(nèi)的原子擴(kuò)散，催化劑在熱處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了相變，同時(shí)避免了內(nèi)部區(qū)域的原子運(yùn)動(dòng)。 利用這種新型催化劑，研究團(tuán)隊(duì)顯著提高了催化劑在膜電極組件（MEA）中的穩(wěn)定性，鐵的損失降低了50%，同時(shí)保持了與液相半電池相當(dāng)?shù)母叽呋钚浴４送猓芏确汉碚摚―FT）計(jì)算表明，金屬間化合物表面能有效穩(wěn)定催化劑形態(tài)，防止快速腐蝕，進(jìn)一步改善了ORR活性。這項(xiàng)研究為形狀控制的Pt基合金催化劑在燃料電池中的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能性，提供了更為穩(wěn)健的解決方案，以應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)催化劑在長(zhǎng)期使用中的降解問(wèn)題。1. 實(shí)驗(yàn)首次通過(guò)表面原子有序控制，成功實(shí)現(xiàn)了鉑-鐵納米線的無(wú)序到有序相變，得到穩(wěn)定的金屬間化合物結(jié)構(gòu)。
2. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)精確控制退火過(guò)程，限制了原子擴(kuò)散僅發(fā)生在表面層，從而在低溫下實(shí)現(xiàn)了鉑-鐵納米線的表面有序化，而內(nèi)部形貌保持不變。
3. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)RDE測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該表面金屬間化合物催化劑在MEA中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性，F(xiàn)e損失減少了50%，同時(shí)保持了與半電池中相當(dāng)?shù)母叽呋钚浴?/span>
4. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)密度泛函計(jì)算，解釋了表面金屬間化合物結(jié)構(gòu)在抗腐蝕性和ORR催化活性方面的優(yōu)勢(shì)，表面有序化有助于提高催化劑的長(zhǎng)期耐用性。圖文速遞
圖1. 在原位低溫退火下PtFe納米線表面金屬間化合物的形成。圖2. PtFe納米線表面結(jié)構(gòu)的無(wú)序到有序轉(zhuǎn)變。圖3. 在液相半電池和單燃料電池中的電催化活性與耐久性評(píng)估。 圖4. 在電池腐蝕過(guò)程中陽(yáng)極溶解電位。總結(jié)展望
基于Pt合金的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑在旋轉(zhuǎn)盤(pán)電極（RDE）測(cè)試中具有高活性，但在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）中的陰極催化劑層的關(guān)鍵效率仍需進(jìn)一步改進(jìn)。為此，催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性需要在不降低催化活性的情況下進(jìn)一步提高。本文提出了一種“表面金屬間化合物”設(shè)計(jì)概念，并開(kāi)發(fā)了低溫表面自組裝（LT-SAO）策略，以實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異形狀保持能力的1D PtFe納米線的表面無(wú)序到有序轉(zhuǎn)變。通過(guò)原位掃描透射電子顯微鏡（STEM）研究，探索并確定了驅(qū)動(dòng)表面原子有序的熱力學(xué)優(yōu)越溫度和最佳退火時(shí)間，同時(shí)抑制了全局原子擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)RDE測(cè)試評(píng)估的Surf-IM-PtFe納米線催化劑的高催化活性在MEA中得到了良好的傳遞，這在以往的研究中從未報(bào)道。與完全隨機(jī)的PtFe合金納米線相比，Surf-IM-PtFe納米線在液體半電池和H?-O?單燃料電池的長(zhǎng)期運(yùn)行中表現(xiàn)出顯著的耐久性提高。該催化劑在MEA中的MA保持率也在所有PtFe基和Pt基合金催化劑中處于領(lǐng)先水平，在AST后保持了高達(dá)78.6%的原始值。DFT計(jì)算進(jìn)一步揭示，形成的金屬間化合物表面具有更高的電偶腐蝕抗性，可以顯著抑制Fe的快速浸出，并有效防止催化劑降解。基于這些發(fā)現(xiàn)，形狀可控的Surf-IM-Pt合金納米晶體被證明是PEMFC中高效陰極ORR催化劑層的有前景的候選材料。 Yanling Ma et al. ,Highly stable and active catalyst in fuel cells through surface atomic ordering.Sci. Adv.10,eado4935(2024).DOI:10.1126/sciadv.ado4935
