Nature Catalysis:新型单原子纳米岛!!CoOx原子簇嵌入于Pt纳米颗粒

文摘   2025-01-14 20:53   美国  
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于能够将氢气直接转化为电能,成为一种极具吸引力的零排放电力生成技术。然而,现有的铂基催化剂在催化活性和耐久性之间存在权衡,这限制了其在实际应用中的广泛使用。解决这一问题需要开发出既具有高活性又具有高耐久性的催化剂。


成果简介
本文提出了一种新型的纳米催化剂设计,将钴氧化物(CoOx)簇嵌入到亚纳米的铂(Pt)纳米颗粒中,形成CoOx@Pt纳米结构。这种设计利用了强金属-氧化物相互作用,显著提高了催化剂的结构和化学耐久性,同时保持了高活性。该催化剂在实际燃料电池测试中展示了优异的性能和耐久性,超过了美国能源部(DOE)设定的技术目标。




研究亮点

  • 创新的纳米催化剂设计:通过在Pt纳米颗粒中嵌入稀疏分布的CoOx簇,利用强金属-氧化物相互作用增强催化剂的稳定性。

  • 高活性和高耐久性:CoOx@Pt纳米催化剂在初始质量活性(MA)和额定功率密度方面表现优异,并在加速应力测试(AST)后保持了高水平的活性和耐久性。

  • 实际应用中的优异表现:在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中,CoOx@Pt催化剂展示了高质量活性和高功率密度,远超商业Pt/C和PtCo/C催化剂。

  • 深入的机理研究:通过实验和理论计算,揭示了嵌入的CoOx簇在抑制Pt原子溶解和Ostwald熟化过程中的关键作用。


图1: 燃料电池架构和催化剂设计示意图(a) 单个燃料电池的组成部分,包括质子交换膜和催化剂层形成的MEA。(b) 支持在碳上的CoOx@Pt核壳纳米催化剂的设计和优点。



成果简介
图2: CoOx@Pt/C催化剂的合成和结构表征(a) 高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像,展示了CoOx@Pt/C纳米催化剂。(b) 测量的粒径分布及平均粒径。(c) STEM-EELS元素映射,红色代表Pt信号,绿色代表Co信号。(d) CoOx@Pt/C的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱,显示未偏压的光谱与参考样品的对比。(e) CoOx@Pt/C在不同偏压下的电位依赖性谱图,显示信号在不同偏压下保持不变。

图3: MEA性能测试(a) H₂/O₂测试中的质量活性(MA)对比,在加速应力测试(AST)前后的表现。(b) H₂/空气测试中的额定功率密度对比。(c) Pt利用率对比。
(d) H₂/空气测试中的极化曲线和功率密度曲线,比较了c-PtCo/C和CoOx@Pt/C的性能。(e) H₂/空气测试中的电压损失对比。(f) 方波AST后的MA损失和功率损失对比。(g) 燃料电池主要性能指标对比,展示了CoOx@Pt/C催化剂在DOE目标和现有最先进催化剂中的优越表现。


图4: 催化剂在AST前后的尺寸和成分分析(a) TEM图像显示了AST前后的CoOx@Pt/C催化剂。(b) CoOx@Pt/C的尺寸分布直方图及平均粒径。(c) AST前后的c-PtCo/C催化剂尺寸分布对比。(d) MEA截面图像,展示了EOL状态下的催化剂层和Pt带。(e) CO剥离实验比较了不同催化剂在AST前后的氧化峰。

图5: 代表性GM配置的模拟结果(a) 不同原子配置的模拟结构:Pt78、Pt77Co和Pt77CoO6。(b) GM簇的形成能对比,显示了CoOx@Pt的热力学稳定性。(c) 工作函数对比,展示了CoOx@Pt在热力学和动力学上的优势。(d) 表面氧吸附能分布,显示了CoOx@Pt具有较少的易被氧化溶解的表面位点。



展望

本研究通过在Pt纳米颗粒中嵌入CoOx簇,开发了一种高活性和高耐久性的燃料电池催化剂。实验和模拟计算结果表明,这种设计能够有效抑制Pt的溶解和Ostwald熟化过程,显著提高催化剂的稳定性。该催化剂在实际燃料电池测试中表现出色,超过了DOE的性能目标,展示了其在重型燃料电池应用中的巨大潜力。


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