西北工业大学携手奥克兰大学《Nature Communications》揭示新型燃料电池催化剂奥秘
中科精研材料制备技术研究院
在能源转换领域，阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）因其高能量密度、快速启动能力和低温运行等优势，被视为未来能源技术的重要发展方向。然而，AEMFCs的阳极氢氧化反应（HOR）在碱性条件下动力学缓慢，且常用的铂（Pt）基催化剂存在活性不足和对一氧化碳（CO）中毒敏感等问题，严重制约了其商业化应用。因此，开发具有高活性、稳定性和抗CO中毒能力的新型碱性HOR催化剂，对于推动AEMFCs的发展具有重要意义。
近日，西北工业大学韩云虎教授与新西兰奥克兰大学王子运教授团队在《Nature Communications》期刊上发表了一项突破性研究成果，通过焦耳热辅助合成方法，成功开发了一种新型单原子合金催化剂——s-Ru1Pt@W1/NC。该催化剂在碱性HOR中展现出卓越的性能，为解决当前AEMFCs面临的挑战提供了新的思路。
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创新的合成方法：研究团队采用焦耳热辅助合成技术，成功制备了负载在单原子钨（W）改性氮掺杂碳上的超细Ru1Pt单原子合金纳米颗粒（s-Ru1Pt@W1/NC）。该方法能够在短时间内实现金属原子的均匀分散和合金化。
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卓越的催化性能：s-Ru1Pt@W1/NC的质量活性达到7.54 A mgPt+Ru⁻¹，远高于商业PtRu/C和Pt/C催化剂。此外，该催化剂在1000 ppm CO/H₂饱和的电解液中表现出优异的稳定性和抗CO中毒能力，即使在H₂饱和的电解液中连续运行1000小时，电流密度仅下降24.60%。
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理论计算支持：通过密度泛函理论（DFT）计算，研究团队揭示了Ru和W单原子对Pt位点电子结构的协同优化作用，为催化剂的高性能提供了理论支持。
图1：催化剂的合成流程与形貌表征
图1展示了s-Ru1Pt@W1/NC催化剂的制备过程。该过程基于焦耳热辅助合成方法，通过快速热解实现了金属原子的均匀分散和合金化。透射电子显微镜（TEM）和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（AC HAADF-STEM）图像显示，PtRu纳米颗粒平均粒径约为2-3 nm，且Ru和W单原子均匀分布于氮掺杂碳基底上。
图2：催化剂的表征
图2通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（AC HAADF-STEM）和X射线光电子能谱（XPS）对催化剂的微观结构和表面化学状态进行了表征。XPS分析揭示了Pt和Ru的价态变化，表明引入的Ru和W原子与Pt之间存在电子转移，这种电子相互作用是催化剂性能提升的重要机制。
图3：催化剂的电子结构表征
图3利用X射线吸收光谱（XAS）对催化剂的原子级结构进行了深入分析。X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱图进一步揭示了Pt、Ru和W的存在形式及其局域原子配位结构，证实了Ru和W对Pt位点电子结构的协同调节作用。
图4：催化剂的HOR催化性能
图4评估了s-Ru1Pt@W1/NC催化剂在碱性HOR中的电催化性能。结果显示，s-Ru1Pt@W1/NC具有最高的极限电流密度和动能电流密度，表现出优于其他催化剂的HOR活性。此外，该催化剂在1000小时的长期稳定性测试中表现出极低的性能衰减。
图5：DFT计算揭示协同作用
图5通过理论计算进一步揭示了s-Ru1Pt@W1/NC催化剂高性能的内在机制。DFT计算表明，引入的Ru和W原子显著调节了Pt的电子结构，优化了反应中间体的吸附能量，从而提高了催化剂的活性和抗CO中毒能力。
本研究通过焦耳热辅助合成方法，成功制备了s-Ru1Pt@W1/NC催化剂，其在碱性HOR中展现出卓越的性能，特别是在稳定性和抗CO中毒能力方面表现出色。这一成果不仅为AEMFCs的阳极催化剂设计提供了新的思路，也为单原子合金催化剂的应用开辟了新的方向。
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