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聚合物电解质膜燃料电池（PEMFCs）被视为零排放交通领域中最具潜力的能量转换技术之一。而稳定且高效的氧还原电催化剂对于燃料电池的实际应用至关重要。本研究中，我们介绍了一种新型的、高度有序的铂钴（Pt-Co）合金，该合金被巧妙地嵌入氮化钴基质中，形成了一种独特的金属间核壳催化剂。在0.9 V的工作电压下，该催化剂的初始质量活度高达0.88 A mgPt⁻¹。更令人瞩目的是，在严苛的方波加速耐久性测试中，经过30,000次的电位循环后，其活性保留率高达71%，电化学表面积的损失仅为9%。这一卓越的性能远超美国能源部为2025年设定的目标，展现了前所未有的稳定性，在实际燃料电池的工作条件下，电压损失极小。
文章要点
核心要点1：
本研究中，作者采用简洁的两步退火工艺，成功合成了高度有序的氮化钴修饰L1₀-PtCo核壳纳米粒子（NPs），这些粒子在氢燃料电池中展现出卓越的耐用电催化性能。PEMFC电催化剂的单电池测试结果显示，其质量活性（MA）高达0.88 A mgPt⁻¹，且在经历30,000次加速耐久性测试（ADT）电位循环后，仍能保持29%的MA、9%的电化学活性表面积（ECSA）损失，以及仅22 mV（在0.8 A cm⁻²下）的电压损耗，这些性能指标均优于美国能源部（DOE）为2025年设定的活性和耐用性目标。
核心要点2：
X射线吸收光谱（XAS）分析揭示，原子有序度的提升显著增强了Pt与Co原子间的电子相互作用，促进了核壳区域间的晶格失配，进而提升了氧还原反应（ORR）的活性。此外，密度泛函理论（DFT）计算进一步证实，在有序的PtCo体系中，N掺杂的存在能够大幅提升Co原子从核心向最外表面迁移所需的能量阈值，从而有效减少了Co的电化学浸出现象，进一步增强了催化剂的稳定性。
(a) 描绘了L1₀-NPtCo@Pt/C催化剂的制备流程图。
(b) 展示了A1-PtCo/C、A1-N-PtCo/C、L1₀N-PtCo-L/C和L1₀-N-PtCo-H/C纳米粒子的XRD图谱，其中无序PtCo和有序PtCo合金的谱峰分别对应于fcc PtCo（PDF #03−065−8968）和fct PtCo（PDF #03−065−8969）的标准图谱。
(c) 呈现了这些纳米粒子的室温磁滞回线。
(d) 通过单元胞示意图模型，说明了热退火过程中晶格参数和原子排列的变化。
(e) 展示了A1-PtCo/C、A1-N-PtCo/C和L1₀-N-PtCo-H/C NPs的Pt傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）。
(f) 提供了A1-PtCo/C、A1-N-PtCo/C和L1₀-N-PtCo-H/C的拉曼光谱。
(g) 在q空间中，给出了L1₀-N-PtCo-H/C的Co FT-EXAFS拟合曲线。
(a) ICP-OES分析结果揭示了A1-NPtCo@Pt/C、L1₀-N-PtCo-L@Pt/C、L1₀-N-PtCo-H@Pt/C和L1₀-PtCo-H@Pt/C电催化剂在化学蚀刻过程中Co含量的变化情况。
(b) 展示了以商用Pt/C、A1-N-PtCo@Pt/C、L1₀-N-PtCo-L@Pt/C、L1₀-N-PtCo-H@Pt/C和L1₀-PtCo-H@Pt/C为正极材料制备的膜电极组件（MEAs）在低电流密度下的H₂-O₂燃料电池极化曲线。
(c) 列出了上述MEAs的简要信息，包括商用Pt/C、A1-N-PtCo@Pt/C等不同种类的电催化剂。
(d)-(f) 分别展示了商用Pt/C、L1₀-N-PtCo-H@Pt/C和L1₀-PtCo-H@Pt/C正极材料制备的MEAs在电池运行开始（BOT）和结束（EOT）时的H₂-O₂燃料电池稳定性性能。
(g) 提供了在H₂-O₂环境中，0.9V电压下的质量活性（MAs）数据。
(h) 展示了在H₂-N₂环境中测得的电化学活性表面积（ECSAs）。
(i) 比较了BOT和EOT时，商用Pt/C、L1₀-N-PtCo-H@Pt/C和L1₀-PtCo-H@Pt/C的MEAs在H₂-O₂中的峰值功率密度。
(j) 揭示了H₂-O₂环境中，经过不同电流密度的加速耐久性测试（ADT）后，商用Pt/C、L1₀-N-PtCo-H@Pt/C和L1₀-PtCo-H@Pt/C的电压损耗情况。
(k) 展示了商用Pt/C和L1₀-N-PtCo-H@Pt/C在H₂-O₂环境中，恒流密度为1.0 A cm⁻²时的长期稳态试验结果。
参考文献：Muhammad Irfansyah Maulana, Tae Hwan Jo, Ha-Young Lee. et al. Cobalt Nitride-Implanted PtCo Intermetallic Nanocatalysts for Ultrahigh Fuel Cell Cathode Performance. JACS. (2024).
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