【催化】“内外兼修”——铑掺杂实现铂合金超长氧还原电催化的调控策略- 大数跨境

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2024-04-26

导读：华北电力大学能源电力创新研究院刘建国课题组采用Rh掺杂的策略制备Pt基合金催化剂（Rh-Pt3Co/C），Rh掺杂增加了Co在体相中扩散的能垒，同时也提高了表面Pt的空位形成能，由内而外提高合金催化剂

如何通过合理的组分调控及结构设计，抑制体相原子的扩散的同时构建稳定的催化剂表面结构是开发工况条件下长期稳定Pt合金催化剂的关键。近期，华北电力大学能源电力创新研究院刘建国课题组采用Rh掺杂的策略制备Pt基合金催化剂（Rh-Pt₃Co/C），Rh掺杂增加了Co在体相中扩散的能垒，同时也提高了表面Pt的空位形成能，由内而外提高合金催化剂结构稳定性，从而缓解二元合金催化剂在长期电化学循环过程中过渡金属组分溶出导致的性能衰减。

图1. Rh-Pt₃Co/C合成示意图和结构表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

使用热扩散法在Pt/C催化剂基础上制备了Pt₃Co/C和Rh掺杂的Pt₃Co/C合金催化剂。借助Co和Rh在还原气氛中的还原温度和扩散路径的差异，进一步实现Rh在Pt₃Co合金表面及体相位置的共掺杂。

图2. Rh-Pt₃Co/C的ORR性能及耐久性测试。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在循环170,000圈后，Rh-Pt₃Co/C的质量活性仅比初始状态降低了8%（从1.31至1.21 A mg_Pt^-1），展现出了出色的稳定性，且优于大部分已报道的ORR合金催化剂证明了Rh的掺杂对于Pt合金ORR长期耐久性的积极作用。

图3. Rh-Pt₃Co/C的DFT计算结果。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

图4. Rh-Pt₃Co/C的低Pt膜电极性能及耐久性测试。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

催化剂稳定性的显著提升来源于Rh的掺杂优化了合金催化剂在电化学循环过程中表面结构演化过程，增强了表面及体相原子的互相作用，提高了表面Pt的空位形成能及Co的扩散迁移能垒，进而抑制了Pt的溶解和Co的迁移扩散，保证了合金催化剂在长期电化学测试过程中表面及内部结构的稳定。Rh-Pt₃Co/C在50000圈循环后0.8 A cm^-2处的电压相较于初始电压无损失。通过与文献中报道的先进Pt基催化剂对比，证明了Rh-Pt₃Co/C作为长寿命的PEMFC低Pt载量催化剂的应用潜力。

相关研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition，南京大学博士研究生李晓克和段骁为共同第一作者，华北电力大学李佳副教授和刘建国教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Strategies for Achieving Ultra-long ORR Durability - Rh Activates Interatomic Interactions in Alloys

Xiaoke Li, Xiao Duan, Siao Zhang, Chuanjie Wang, Kang Hua, Zejin Wang, Yongkang Wu, Jia Li, Jianguo Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202400549

教授简介

刘建国教授，国家级高层次人才，华北电力大学二级教授，博士生导师，华北电力大学氢能技术创新中心主任，氢能科学与工程教研室主任，新型储能技术北京实验室常务副主任。国家自然科学二等奖获得者，科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才，中国工程院战略咨询中心氢能特聘专家，中国内燃机学会燃料电池动力分会副主任委员。多年从事氢能与燃料电池方面的研究，主持国家重点研发计划项目，国家重点研发计划课题，教育部联合基金，国家自然科学基金等项目。担任PNSMI（SCI期刊）和《电化学》杂志编委，出版了《可再生能源导论》、《先进材料合成与制备技术》和《燃料电池关键材料与技术》等教材和专著。

李佳副研究员，主要从事燃料电池和PEM水电解关键材料和相关技术研究，主要包括新型电催化剂、高性能膜电极设计与制备等。在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等国际、国内学术期刊上发表学术论文42篇，申请国家发明专利20余项。出版专著《质子交换膜燃料电池关键材料与技术》（化学工业出版社）1部。作为项目或课题负责人，先后主持了包括国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、江苏省博士后科研资助计划等在内的4项科研项目。

杨勇平院士/刘建国教授课题组招聘

招聘岗位：

课题组主要从事氢能与燃料电池的关键材料和技术研究，主要包括电解制氢和燃料电池新型电催化剂设计与制备、高性能膜电极设计与制备、电堆和系统集成、寿命衰减机理和提升技术以及其他高性能新型化学电源等；同时也开展氢能与低碳发展战略和规划研究。课题组承担多项科技部重点研发计划项目/课题/子课题、国家自然科学基金面上项目/青年项目。

课题组碱性电解水关键材料和相关技术研究已经初具规模，现因科研方向发展及项目需要，欢迎海内外人才申请教授、副教授、研究员、副研究员、博士后职位，课题组积极鼓励并全力协助青年学者依托华北电力大学申报国家四青人才计划。诚邀海内外优秀青年学者加盟！

联系方式：

联系人：刘建国、杨天让

E-mail：jianguoliu@ncepu.edu.cn; tianrangyang@ncepu.edu.cn

地址：北京市昌平区北农路2号华北电力大学，102206