华南理工大学崔志明教授，Chemistry of Materials观点：Pt位取代的低铂金属间化合物用于燃料电池阴极催化剂- 大数跨境

首页

华南理工大学崔志明教授，Chemistry of Materials观点：Pt位取代的低铂金属间化合物用于燃料电池阴极催化剂

科学材料站

2024-11-25

导读：华南理工大学崔志明教授，Chemistry of Materials观点：Pt位取代的低铂金属间化合物用于燃料电池阴极催化剂

科学材料站

文章信息

具有优化应变的L10型金属间催化剂Pt_0.8Ga_0.2Co增强燃料电池氧还原

第一作者：张龙海，邓颍杰

通讯作者：崔志明*，孙书会*，党岱*

单位：华南理工大学，加拿大国立科学研究院，广东工业大学

科学材料站

研究背景

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）是一种高效且零排放的可持续电化学能量转换技术。然而，目前仍需使用大量昂贵的Pt催化剂来加速阴极氧还原反应（ORR）并保证一定的服役寿命。在过去的几十年里，研究者通过将Pt与非贵过渡金属M（如Fe、Co、Ni等）进行合金化，以及构建PtM/Pt核壳结构，在提升Pt利用率方面取得了显著进展。调控表面应变已被证明是一种极为有效的策略，能通过削弱强吸附的关键中间体，显著提升Pt-M电催化剂的ORR动力学。然而，在低Pt含量纳米晶上实现最优的压缩应变仍然是一项重大挑战。此外，高M含量的低Pt催化剂在苛刻电化学环境中常因M的溶解而面临稳定性问题。

科学材料站

文章简介

近日，来自华南理工大学的崔志明教授，加拿大国立科学研究院的孙书会教授，以及广东工业大学的党岱副教授，在国际知名期刊Chemistry of Materials上发表题为“Optimized Surface Strain in L10-Type Pt_0.8Ga_0.2CoIntermetallic Catalyst for Enhanced Oxygen Reduction in Fuel Cells”的文章。该文章采用Ga部分替代Pt的策略，开发出高性能的L10型Pt_0.8Ga_0.2Co金属间化合物催化剂。Ga的引入，一方面调控了表面应变，使其接近理论火山图的最佳区域；另一方面，促进了热力学上更稳定的金属间化合物结构的形成，实现了低铂催化剂的长期电化学稳定性。

图1. 所设计材料的应变-活性火山图及结构稳定性。

科学材料站

本文要点

要点一：材料的制备/表征和结构热力学分析

通过冷冻干燥-热还原法制备所设计的低铂金属间催化剂，实验发现，适量Ga能够实现低铂催化剂有序相的形成，而过量Ga的引入会造成竞争杂相的产生。所制备Pt_0.8Ga_0.2Co/C具有高度分散的纳米颗粒，平均粒径为3.3 nm。热力学计算和电荷局域函数分析表明，Ga部分替代的L10型PtCo相比传统PtCo具有更低的热力学形成能，这归因于Pt与Ga之间强烈的d-p电子相互作用。进一步的原子占位分析显示，相比Ga位于Pt亚点阵，Ga位于Co亚点阵而富余的Co位于Pt亚点阵时，所形成的结构更稳定，而这是源于该结构中Ga能与更多Pt原子进行配位，且配位距离更短。

图2 催化剂材料物理表征

图3 热力学计算和结构特性

要点二：催化剂氧还原活性测试和器件应用

所制备的Pt_0.8Ga_0.2Co/C催化剂在旋转圆盘电极上展现出了卓越的本征活性，达到3.39 mA cm^-2，优于PtCo/C和Pt/C。在PEMFC测试中，Pt_0.8Ga_0.2Co/C在0.90 V下的质量活性高达0.77 A mgPt^-1，不仅超过了美国能源部（DOE）设定的活性目标（0.44 A mgPt^-1，0.90 V），还优于大多数L10型Pt基金属间化合物催化剂。值得一提的是，该催化剂表现出卓越的催化耐久性，在经过30,000次电位循环后，质量活性仅下降28%，显著优于DOE设定的40%质量活性损失目标。

图4 催化剂的电化学性能

要点三：氧还原性能增强机理

通过XAFS表征进一步验证了Pt与Ga之间的电子相互作用，Pt位点的部分取代以及Pt_0.8Ga_0.2Co中缩短的Pt-Pt间距。进一步的理论计算表明，相较于PtCo，Pt_0.8Ga_0.2Co能对表面Pt产生更强的表面应变，且靠近了二维应变-活性火山图的最优区域。优化后的应变显著调控了含氧物种的吸附特性，降低了反应能垒，从而提升了ORR的反应动力学。

图5 氧还原性能增强机理

科学材料站

文章链接

Optimized Surface Strain in L10‑Type Pt_0.8Ga_0.2CoIntermetallic Catalyst for Enhanced Oxygen Reduction in Fuel Cells

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.4c01968

科学材料站

通讯作者简介

崔志明，华南理工大学教授、博士生导师，入选国家“海外高层次引进人才”青年项目，广东省“珠江学者”特聘教授。崔志明教授于2010年在中科院长春应用化学研究所获得博士学位，随后在新加坡南洋理工大学、美国康奈尔大学、美国德州大学奥斯汀分校做博士后研究，2017年加入华南理工大学化学与化工学院。主要从事电化学能源转换和存储器件的研究，在电催化基础和应用方面开展了PEM燃料电池和电解水相关的阴阳极电催化剂、碳基和非碳基载体、膜电极等方面的工作，并取得了一些重要研究成果。迄今已在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、EES、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、ACS Catal.等专业期刊发表SCI论文150余篇，H-index 53，参编中英文专著3部，申请专利10余项，主持和参与科技部重点研发、国家自然基金项目，省级基金项目等近10项。

课题组主页：https://www2.scut.edu.cn/zmcui/main.htm

孙书会，加拿大皇家科学院和加拿大工程院两院院士、加拿大国立科学研究院教授；现任国际电化学能源科学院(IAOEES)副总裁、Springer-Nature 旗下期刊Electrochemical Energy Reviews (IF=28.4)执行主编，SusMat (IF=18.7)副主编，及10余种国际学术期刊的编委。长期致力于功能纳米材料的开发及其在清洁能源技术中的应用，包括燃料电池、绿色氢能、锂金属电池、金属空气电池、金属离子电池、二氧化碳转换等, 在Nature Sustainability, Nature Communications, Science Advances, Energy & Environmental Science, Advanced Materials，JACS, Angew. Chem.等国际著名期刊上发表论文330余篇。主编英文专著5部，章节17章，同时获得多个美国专利。

党岱，副教授，硕士生导师，广东工业大学“青年百人计划”A层次引进人才。主要从事能量转化和储存器件的设计和研发，包括低温质子交换膜燃料电池、PEM和AEM固态电解质电解水和金属空气电池相关领域的研究，已在Science, Energy & Environmental Science, Energy Storage Materials, ACS catalysis, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources等SCI期刊上发表学术论文70余篇, 已授权发明专利10项。主持国家自然科学基金1项，省级项目5项。

科学材料站

第一作者简介

张龙海，华南理工大学博士，分别在2019年和2024年于华南理工大学取得学士和博士学位。主要从事与燃料电池和电解水相关的电催化剂研究，在第一性原理计算，分子动力学模拟和机器学习方面具有丰富的经验，以第一作者（含共一）在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., ACS Catal.，Chem. Mater.等国际期刊发表SCI论文十余篇。

邓颍杰，广东工业大学2024届硕士研究生，主要从事燃料电池催化剂和器件研究。迄今为止，围绕该课题方向以第一作者（含共一）在Small，Chem. Mater.等期刊发表论文。