随着全球人口的增长和能源需求的增加，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为高效直接化学能-电能转换的替代能源转换装置，正引起人们的广泛兴趣。铂（Pt）因其优异的催化性能（活性和稳定性），是目前研究最广泛的ORR电催化剂。Pt基催化剂的稀缺性和高成本是目前PEMFCs高成本的重要原因之一。然而，Pt基纳米催化剂的长期耐久性与高性能的预测设计和合理制备仍存在重大挑战。对结构与性能之间基本关系的理解远远落后于前期的准备和实证研究。同时提高ORR催化剂的活性和耐久性是一项具有挑战性的任务，因为活性较高的催化剂通常稳定性较差。近日，上海交通大学的章俊良教授等人采用原位X射线吸收精细结构(XAFS)直接研究了Pt/C和PtCo/C电催化剂在质子交换膜燃料电池加速降低试验(ADT)中的活性降低机理。与Pt/C相比，PtCo/C电催化剂具有更高的Pt 5d-轨道空位、表面Pt原子上的低氧化学吸附和更短的Pt-Pt键长(R)，这些因素的协同效应显著增强了PtCo/C电催化剂的氧还原反应(ORR)催化活性。在ADT过程中，尽管两种电催化剂的活性降低机制不同，但在3万次ADT循环后，其ORR活性均出现大幅下降。对于Pt/C催化剂，XAFS结果表明，在ADT过程中Pt的氧化诱导的从部分覆盖表面PtO层到全覆盖表面PtO层的结构转变，以及部分覆盖的亚表面PtO层导致了Pt活性位点的损失，从而导致ORR活性的降低。对于PtCo/C电催化剂，Co原子的氧化导致应变和配体效应的衰减，而在ADT过程中，CoO的溶解和偏析导致Pt外层厚度的增加，从而导致了ORR活性的降低。该工作促进了对于Pt/C、PtCo/C等电催化剂的催化活性降低的机理理解，对于设计制备高寿命、高稳定性的电催化剂具有重要的借鉴意义。

FangLing Jiang; FengJuan Zhu; Fan Yang; XiaoHui Yan; AiMing Wu; LiuXuan Luo; XiaoLin Li; JunLiang Zhang. Comparative Investigation on the Activity Degradation Mechanism of Pt/C and PtCo/C Electrocatalysts in PEMFCs during the Accelerate Degradation Process Characterized by an in Situ X-ray Absorption Fine Structure. ACS Catalysis, 2019.

DOI: 10.1021/acscatal.9b04598

https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04598