Nature Reviews Materials，无PGM催化剂在氢燃料电池的进展！
文摘
2024-11-11 07:30
青海
聚合物电解质燃料电池（PEFCs）是一种利用清洁和可持续氢能的电化学装置，因其在清洁交通运输中的潜力成为了研究热点。PEFCs具有高功率密度、快速启动和响应、重量轻、体积小等优点，这使其特别适合用于中重型运输中的氢能电力转换。然而，PEFCs的大规模应用受到成本高昂的限制，主要原因是阴极氧还原反应（ORR）需要大量铂族金属（PGM）催化剂，这些催化剂价格昂贵，且ORR反应速率非常缓慢。为了解决这一问题，科学家们提出了用无PGM材料完全替代贵金属催化剂的想法，并自2010年以来提出了许多有前途的无PGM电催化剂。尽管如此，当前最好的无PGM催化剂仍未达到实际应用系统的性能要求。有鉴于此，美国纽约州立大学布法罗分校（University at Buffalo SUNY）Gang Wu，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）Piotr Zelenay合作将研究重点转向了基于原子分散、氮配位的单原子金属位点（M–N–C催化剂）的开发。M–N–C催化剂在阴极酸性环境中展示了优异的ORR活性和稳定性，特别是铁基催化剂，由于其单原子Fe位点的高效性而备受关注。研究发现，这些催化剂的性能与其活性位点的原子结构和配位环境密切相关，而这些特性又受到催化剂合成过程的影响。因此，科学家们提出，通过在原子尺度、中尺度和纳米尺度上精确控制催化剂结构，可以显著提高其性能。例如，利用沸石咪唑框架（ZIF-8）前体和高温处理，可以形成具有FeN4基团的活性位点，从而实现优异的ORR性能。然而，稳定性仍是一个挑战，研究表明，吡啶型氮配位的单原子Fe位点在ORR期间抵抗失金属化现象较好，但由于氧气过度吸附，活性较低。![]()
【图文解读】
（1）综述了一种基于原子分散、氮配位的单原子金属位点（M-N-C催化剂）的无PGM氧还原反应催化剂，得到了在清洁和可持续氢燃料电池应用中的潜在解决方案。1.活性位点结构：研究发现，原子分散的氮配位单原子金属位点在催化活性方面具有显著优势。这些活性位点结构具有高效的氧还原反应性能，为替代贵金属催化剂提供了可能。2.催化活性和性能持久性：实验表明，M-N-C催化剂在氧还原反应中的催化活性和稳定性取决于其原子结构和配位环境。通过精确控制催化剂的原子级结构，显著提高了其催化性能和持久性。3.克服活性-稳定性权衡：研究进一步揭示了M-N-C催化剂在设计中经常遇到的活性与稳定性权衡问题。通过优化催化剂的电子性质和局部结构，实验在某种程度上解决了这一难题，实现了高活性与高稳定性的平衡。4.先进建模与理论指导：实验强调了先进建模和理论计算在催化剂合理设计中的重要性。通过结合计算材料科学和机器学习方法，研究人员能够预测和优化催化剂的性能，从而加速新型高效无PGM催化剂的开发。5.多尺度控制策略：实验提出了通过在原子尺度、中尺度和纳米尺度上控制催化剂结构的潜在有效策略。这样的多尺度控制有助于提高催化剂的整体性能，为无PGM电催化剂的实际应用铺平了道路。 ![]()
图1： 在Fe–N–C催化剂中，原子分散的氮配位金属位点。![]()
图2：控制催化活性和稳定性，单原子金属位点的氮配位。![]()
图3： M–N–C催化剂本征活性和质量活性的提升策略。![]()
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本文强调了在催化剂设计中应注重从理性设计出发，而非仅依赖经验性方法。具体来说，基于原子分散、氮配位的单原子金属位点（M-N-C催化剂）展示了显著的催化性能，但要实现实际应用，还需解决催化剂活性与稳定性之间的权衡问题。研究指出，通过原子尺度、中尺度和纳米尺度的结构控制，能够显著提升催化剂的性能和持久性。特别是先进建模在合理设计催化剂中的重要性被突显，为未来的催化剂开发提供了明确方向。此研究不仅为无PGM催化剂的发展奠定了基础，还推动了电催化领域向更高效、更经济的目标迈进，为清洁能源技术的进步提供了有力支持。原文详情：Wu, G., Zelenay, P. Activity versus stability of atomically dispersed transition-metal electrocatalysts. Nat Rev Mater (2024). https://doi.org/10.1038/s41578-024-00703-z
