北大燃料電池新型低鉑催化劑獲新進展

質子交換膜燃料電池的商業應用受到陰極緩慢的氧還原動力學的限制。目前，提高氧還原催化活性的最有效策略是通過將過渡金屬M（M=Fe、Co、Ni、Cu等）與貴金屬Pt合金化來優化催化劑與含氧物種之間的結合能，從而提高氧還原的催化活性。最近的研究表明，與表面催化劑相比，界面催化劑可以提供另一種提高氧還原催化活性的有效途徑。然而，如何設計具有新的界面增強機制的高效界面催化劑仍然是一個巨大的挑戰。過渡金屬碳化物由于其高導電性和導熱性、優異的機械強度、硬度、化學穩定性和耐腐蝕性，近年來引起了人們的廣泛關注。通過結合PtM和過渡金屬碳化物來制造新的界面催化劑仍然是一個巨大的挑戰。為了解決這些問題，北京大學理工學院的郭少軍團隊設計并開發了一種新型啞鈴形PtFe-Fe2C納米顆粒。這種啞鈴形PtFe-Fe2C納米顆粒是通過碳化啞鈴形PtFe-Fe3O4納米顆粒獲得的（圖1a）。電化學測試表明，該催化劑在酸性介質中的氧還原比活性和質量活性分別達到3.53mAcm2和1.50Mg1，分別是商用Pt/C的11.8和7.1倍，具有優異的電化學穩定性，5000次循環后催化劑的活性幾乎沒有下降。研究團隊進一步計算發現，這種獨特的結構具有新穎的無勢壘界面電子傳輸機制，更有利于電催化反應，從而提高電催化活性（圖1b）。這種無勢壘界面電子傳輸機制也可以擴展到其他電催化系統，如電催化析氫反應和過氧化氫的電催化還原。催化劑在酸性介質中析氫的比活性達到28.2mAcm2，分別是商用Pt/C的2.9倍。基于該催化劑的過氧化氫電化學傳感器的檢測極限達到2nM。這項工作對電催化的理論研究和新型高效燃料電池電催化劑的開發具有指導意義，也為下一代高性能、低成本電催化劑的結構設計提供了新思路。

圖1.a）合成示意圖；B） PtFe-Fe3O4納米粒子；C） PtFe-Fe2C納米顆粒；

D） DFT計算這項工作由北京大學理工學院的郭少軍團隊完成。本文的通訊作者是郭少軍，博士后賴建平和香港理工大學的黃伯龍博士是第一作者。該項目得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃和千人計劃的資助。質子交換膜燃料電池的商業應用受到陰極緩慢的氧還原動力學的限制。目前，提高氧還原催化活性的最有效策略是通過將過渡金屬M（M=Fe、Co、Ni、Cu等）與貴金屬Pt合金化來優化催化劑與含氧物種之間的結合能，從而提高氧還原的催化活性。最近的研究表明，與表面催化劑相比，界面催化劑可以提供另一種提高氧還原催化活性的有效途徑。然而，如何設計具有新的界面增強機制的高效界面催化劑仍然是一個巨大的挑戰。過渡金屬碳化物由于其高導電性和導熱性、優異的機械強度、硬度、化學穩定性和耐腐蝕性，近年來引起了人們的廣泛關注。通過結合PtM和過渡金屬碳化物來制造新的界面催化劑仍然是一個巨大的挑戰。為了解決這些問題，北京大學理工學院的郭少軍團隊設計并開發了一種新型啞鈴形PtFe-Fe2C納米顆粒。這種啞鈴形PtFe-Fe2C納米顆粒是通過碳化啞鈴形PtFe-Fe3O4納米顆粒獲得的（圖1a）。電化學測試表明，該催化劑在酸性介質中的氧還原比活性和質量活性分別達到3.53mAcm2和1.50Mg1，分別是商用Pt/C的11.8和7.1倍，具有優異的電化學穩定性，5000次循環后催化劑的活性幾乎沒有下降。研究團隊進一步計算發現，這種獨特的結構具有新穎的無勢壘界面電子傳輸機制，更有利于電催化反應，從而提高電催化活性（圖1b）。這種無勢壘界面電子傳輸機制也可以擴展到其他電催化系統，如電催化析氫反應和過氧化氫的電催化還原。催化劑在酸性介質中析氫的比活性達到28.2mAcm2，分別是商用Pt/C的2.9倍。基于該催化劑的過氧化氫電化學傳感器的檢測極限達到2nM。這項工作對電催化的理論研究和新型高效燃料電池電催化劑的開發具有指導意義，也為下一代高性能、低成本電催化劑的結構設計提供了新思路。

圖1.a）合成示意圖；B） PtFe-Fe3O4納米粒子；C） PtFe-Fe2C納米顆粒；D） DFT計算這項工作由北京大學理工學院的郭少軍團隊完成。本文的通訊作者是郭少軍，博士后賴建平和香港理工大學的黃伯龍博士是第一作者。該項目得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃和千人計劃的資助。

標簽：北京發現

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