广西大学CEJ：简便合成PtCo@3DG复合材料作为氧还原反应的高活性和高稳定性电催化剂

简便合成PtCo@3DG复合材料作为氧还原反应的高活性和高稳定性电催化剂

第一作者：胡树起

通讯作者：李子安*

单位：广西大学

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种将化学能转变为电能的高效且环保的装置，在交通运输和便携式发电方面有潜在应用。PEMFCs面临的主要挑战之一是阴极氧还原反应(ORR)缓慢的动力学过程，能量转换效率较低，限制其大规模应用。铂及其合金是目前应用最广泛的ORR电催化剂，能加速其反应过程，进而提高PEMFCs的能量转换效率。

近日，广西大学李子安教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Facile synthesis of PtCo nanoparticles /three-dimensional graphene hybrid material as a highly active and stable electrocatalyst for oxygen reduction reaction”的文章。该文章通过快速置换反应和热处理的方法合成超细的PtCo和三维石墨烯复合材料，实验证明该合成方法制备的催化剂具有较高的活性和稳定性。

图1. (a) PtCo纳米颗粒的形成示意图; (b) Pt基纳米颗粒锚定在3DG上的示意图; (c) 三维石墨烯的扫描电镜图；(d) Co₃O₄-Pt@3DG的扫描电镜图；(e) PtCo@3DG的扫描电镜图。

要点一：PtCo@3DG具有优异的ORR性能

实验结果表，该催化剂在0.9 V vs. RHE的氧还原质量比活性为0.801 A/mgPt，是商业Pt/C的6.8倍，经过10000圈加速循环后性能仅仅降低1.87%。

要点二：PtCo超细的尺寸、Pt的量少且可以精确控制

通过快速置换反应和热处理方法制备的PtCo的尺寸为10.2 ± 0.4 nm，均匀分布在3D石墨烯表面。在还原气氛中，分布在3DG表面的Co(OH)₂热分解形成Co₃O₄-Co核壳结构，再与少量低浓度的H₂PtCl₆发生快速的置换反应形成Co₃O₄-Pt核壳结构，最后经过热处理形成PtCo@3DG。合成过程中，Pt量可以通过H₂PtCl₆的用量来精确控制。

要点三：三维石墨烯有利于电荷转移和传质过程，加速反应中间产物的吸脱附过程

三维石墨烯具有开放且联通的多孔结构，为ORR反应提供快速的离子通道和高效的传质过程，加速反应中间产物的吸脱附过程，防止催化剂中毒。石墨烯具有高导电性和化学稳定性，PtCo催化剂和3D石墨烯的协同作用，同时提高催化剂的活性和稳定性。

要点四：前瞻

该文章使用简便的方法制备了PtCo@3DG催化剂，并研究了其ORR性能。这项工作为石墨烯作为铂基催化剂的新型碳载体的应用提供了新的策略。

Facile synthesis of PtCo nanoparticles /three-dimensional graphene hybrid material as a highly active and stable electrocatalyst for oxygen reduction reaction

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144828

李子安简介：广西大学研究方向为电子显微学新技术研发及应用。利用现代先进的透射电子显微技术，包括原子分辨的出射波重构、三维重构技术方法对功能材料的原子结构、化学成分与物性构效进行深入系统的定量分析。近年来，致力于发展分辨、定量的原位洛伦兹技术以及电子全息技术; 致力于研发时间分辨的超快电显微设备、技术及其应用。目前，主持国家自然科学基金委面上项目2项；作为骨干成员参与科技部国家重点研发计划、北京市科委设备研制项目、中国科学院科研仪器设备研制项目各1项。

胡树起，博士研究生，博士后。主要研究方向：1. 石墨烯和铂基贵金属催化剂的批量化制备及其电催化性能表征；2. 原子尺度高分辨透射电镜及原位环境透射电镜技术开发，包括原位气氛、原位加热和原位电化学。已在国内外学术期刊上发表论文10篇，其中包括Chem. Eng. J., ACS Appl. Energy Mater., Int. J. Hydrogen Energy, J. Electroanal. Chem, ChemistrySelect等。作为骨干成员参与国家重大科学研究计划，国家自然科学基金-联合基金重点研发项目，广西创新驱动发展专项和南宁市重大科技专项等。