华科夏宝玉教授Angew：多孔铂合金及缺陷石墨碳协同作用催化ORR

通讯作者：夏宝玉

通讯单位：华中科技大学

催化剂和载体之间强相互作用的集成制造对于实现燃料电池的高效氧电催化至关重要。

基于此，华中科技大学夏宝玉教授课题组报告了一种通过集成工程策略，制备由石墨碳包裹的多孔三元PtCuCo合金，其中三元PtCuCo合金和石墨Co-N-C之间的协同催化优化了反应途径和改善的氧还原反应(ORR)性能。最终实现了氢-空气燃料电池中的高效ORR。相关工作以“Boosting Oxygen Reduction via Integrated Construction and Synergistic Catalysis of Porous Platinum Alloy and Defective Graphitic Carbon”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

图1. 多孔PtCuCo@Co-N-C杂化催化剂的制备示意图。

要点1. 混合催化剂PtCuCo@Co-N-C在0.9 V vs RHE下提供1.14 A mgPt-1的质量活性和960 mW cm-2的峰值功率密度，优于商业Pt/C催化剂(0.12 mgPt-1和780 mW cm-2)。该催化剂在氢-空气燃料电池中在0.6 V电压下提供1.45 A cm-2的电流密度和960 mW cm-2的峰值功率密度。

要点2. 实验结果与理论模拟相结合表明，多孔Pt合金和Co-N-C之间的杂化实现了多个活性位点的协同合作，增强了混合PtCuCo@Co-N-C催化剂的结构稳定性，提高了ORR催化性能。

要点3. 这项工作可能为通过集成结构设计先进的Pt合金电催化剂提供有价值的见解，以提高燃料电池的ORR性能

图2. PtCuCo@Co-NC 催化剂的(a)SEM，(b)TEM，(c)HAADF-STEM，(d)HRTEM，(e)AC TEM，插图为FFT模式，(f)AC STEM图像，(g)EDS线扫描，(h)EDS光谱和(i)EDS分布。

图3. Pt/C、PtCu、Co-NC和PtCuCo@Co-N-C的(a)LSV曲线和相应的电子转移数，(b)Tafel图，(c)在0.9 V vs. RHE下，半波电位和质量活度，(d)CV曲线、(e)LSV曲线和(f)PtCuCo@Co-N-C在50000次循环前后的其他活性变化。(g)Pt/C在10000次循环之前和之后的LSV曲线（插图是CV曲线）。(h)以Pt/C和PtCuCo@Co-N-C作为阴极催化剂的氢-空气燃料电池的极化图。(i)氢-空气燃料电池在0.6 V电压下的稳定性测试。

图4. (a)PtCuCo@Co-N-C的ORR示意图。(b，c)PtCuCo(111)和Co-N-C位点的自由能和协同机制。

参考文献：

Lei Huang, Ya-Qiong Su, Ruijuan Qi, Dai Dang, Yanyang Qin, Shibo Xi, Shahid Zaman, Bo You, Shujiang Ding, Bao Yu Xia, Boosting Oxygen Reduction via Integrated Construction and Synergistic Catalysis of Porous Platinum Alloy and Defective Graphitic Carbon, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, https://doi.org/10.1002/anie.202111426