PtM合金催化剂(例如PtFe,PtCo),尤其是具有金属间L10结构,对质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的氧还原反应(ORR)具有出色的活性和稳定性,已经引起了人们的极大关注。但是,含Fe或Co的催化剂从H2O2的金属催化形成·OH(即Fenton反应)会引起PEM/催化剂层的严重降解,从而阻碍了其工业应用的前景。研究发现,锌在Fenton反应中被称为抗氧化剂,但由于其相对负的氧化还原电势,很难与Pt形成合金。
有鉴于此,华中科技大学李箐教授报道了成功合成亚4 nm金属间L10-PtZn纳米颗粒(NPs)作为高性能PEMFC阴极催化剂。
文章要点
1)采用3D Pt@ZnO基质作为前体来制备超小(3 nm)的L10-PtZn NPs,其不仅可以防止NPs聚集,而且可以通过在还原退火过程中产生大量的O空位来促进相变。
2)在PEMFC测试中,L10-PtZn阴极具有出色的活性(0.9 ViR-free时为0.52 A mgPt-1,峰值功率密度为2.00 W cm-2)和稳定性(在30000次电压循环后质量活性仅损失16.6%),超过美国能源部2020年目标和大多数报告的PtM ORR催化剂。
3)密度函数理论计算表明,PtZn NPs的无序(A1-L10)跃迁产生的双轴应变,即沿<110>方向的拉伸和沿<101>和<011>的压缩。将调节表面Pt-Pt距离并优化Pt-O结合以增强ORR活性。此外,从A1到L10的跃迁也增加了Zn原子的空位形成能,有效提高了其稳定性。
Jiashun Liang, et al, Biaxial Strains Mediated Oxygen Reduction Electrocatalysis on Fenton Reaction Resistant L10-PtZn Fuel Cell Cathode, Adv. Energy Mater. 2020
DOI: 10.1002/aenm.202000179
https://doi.org/10.1002/aenm.202000179