在显著降低铂族金属（PGMs）负载量的同时，提高催化性能和耐久性是促进质子交换膜燃料电池（PEMFCs）用于交通的关键。

近日，美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授，洛斯阿拉莫斯国家实验室Jacob S Spendelow，印第安纳大学与普渡大学印第安纳波里斯联合分校Jian Xie，阿贡国家实验室Deborah J. Myers报道了一种通过将PGM纳米颗粒与富含FeN₄位点的Fe-N-C（表示为Pt/FeN₄-C或PtCo/FeN₄-C）相结合来设计复合ORR电催化剂的有效策略。

文章要点

1）研究人员研究了分别由ZIF-8和Co掺杂的ZIF-8前驱体制备的无Fe掺N碳（NC）和CoN₄-C载体。其目的是证明碳中FeN₄位点显著提高Pt和PtCo催化剂性能的有效作用。此外，在合成PtCo/FeN4-C催化剂的过程中，开发了一种通过控制高温退火处理来制备L1₂ Pt₃Co金属间化合物结构的有效方法。研究发现，FeN₄-C中良好的多孔碳结构和丰富的N掺杂使得Pt和Pt₃Co纳米粒子分布均匀、细小。此外，与以前报道的大颗粒有序PtCo金属间化合物不同，富FeN₄位点的Fe-N-C碳在高温退火处理过程中可以有效地保持理想的颗粒尺寸（3-4 nm），同时获得有序的结构。

2）Pt/FeN₄-C和Pt-Co/FeN₄-C催化剂在转盘电极（RDE）和膜电极组件（MEA）研究中表现出优异的性能和耐久性。与传统的炭黑负载Pt（Pt/C）不同，低阴极负载量（0.1 mg_Pt/cm²）的Pt/FeN₄-C基金属间化合物电极的ORR质量活度（MA）显著提高到0.451 A/mg_Pt，并在催化剂加速应力测试（AST）中经过30,000次电压循环后仍保持初始值的80%，即使不使用合金也超过了DOE2020的目标。此外，相同Pt负载量的Pt₃Co/FeN₄-C基MEA的ORR质量活度高达0.72 A/mg_Pt。同时，Pt₃Co/FeN₄催化剂在0.67 V时功率密度达到824 mW/cm²，在1.0 A/cm²时仅损失23 mV。

3）密度泛函理论（DFT）计算进一步阐明了Pt和FeN₄位点之间可能的协同机制，即在ORR过程中，由于O₂吸附能减弱和O-O键断裂活化能降低，Pt的本征活性得到了增强。

FeN₄位点对提高Pt催化剂活性和稳定性的促进作用，为设计高性能、低PGM的质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化剂和电极提供了一种有效的策略。

参考文献

Z. Qiao, C. Wang, C. Li, Y. Zeng, S. Hwang, B. Li, S. Karakalos, J. H. Park, A. J. Kropf, E. C. Wegener, Q. Gong , H. Xu, G. Wang, D. J. Myers, J. Xie, J. Spendelow and G. Wu, Atomically Dispersed Single Iron Sites for Promoting Pt and Pt3Co Fuel Cell Catalysts: Performance and Durability Improvements, Energy Environ. Sci., 2021

DOI: 10.1039/D1EE01675J

https://doi.org/10.1039/D1EE01675J