第一作者：彭博思, Zeyan Liu

通讯作者：黄昱、Alessandro Fortunelli

通讯单位：加州大学洛杉机分校、意大利国立研究委员会

彭博思，本科毕业于武汉大学，博士毕业于美国加州大学洛杉矶分校，导师为段镶锋教授/黄昱教授，现为美国西北大学Edward H. Sargent院士团队博士后。

论文速览

铂(Pt)纳米催化剂对于促进质子交换膜燃料电池中的阴极氧还原反应是必不可少的，但是在活性和耐久性之间存在折衷。

本研究成功设计了一种新型的铂基纳米催化剂，该催化剂由稀疏嵌入的氧化钴簇（CoOx）和铂（Pt）纳米粒子组成（CoOx@Pt）。这种设计利用了Pt与氧化物之间的强相互作用，使得催化剂在不牺牲活性的情况下，具有高结构和化学耐久性。

CoOx@Pt纳米催化剂在膜电极组件中表现出高初始质量活性1.10 A mgPt−1，额定功率密度1.04 W cm−2，以及Pt利用率10.4 W mgPt−1。在经过加速应力测试后，它显示出极高的耐久性，质量活性保持率为88.2%，电流密度为0.8 A cm−2时电压损失仅为13.3 mV，额定功率损失仅为7.5%。这种耐久性可以提供15,000小时的长预期寿命，从而大幅降低寿命调整成本。

图文导读

图1：燃料电池的架构和CoOx@Pt/C催化剂的设计。

质子交换膜和催化剂层组成MEA，CoOx@Pt核壳纳米催化剂的设计优势，如强金属-氧化物相互作用，减少金属溶解，以及改善电子传输。

图2：CoOx@Pt/C催化剂的合成和结构表征。

催化剂的均匀分散性，平均粒径尺寸，以及Co和Pt元素的分布情况。此外，通过STEM-EELS和XPS表征确认了CoOx在Pt纳米粒子内部的稀疏分散。

图3：CoOx@Pt/C、c-PtCo/C和c-Pt/C催化剂的MEA性能对比。

不同催化剂在H2/O2和H2/空气测试中的起始和结束寿命的质量活性(MA)，额定功率密度，Pt利用率，以及在不同电流密度下的电压损失。特别强调了CoOx@Pt/C催化剂在耐久性测试中的卓越性能。

图4：催化剂在MEA中的大小分布、组成和CO剥离分析。

不同催化剂在开始和结束寿命时的粒径尺寸变化，Pt质量损失，以及Co含量的变化。这些分析揭示了CoOx@Pt/C催化剂在抑制Pt溶解和粒径增长方面的优势。

图5：模拟结果展示了代表性全局最小(GM)构型。

Pt78、Pt77Co和Pt77CoO6纳米催化剂的原子配置、形成能、功函数和氧吸附能量分布。这些模拟结果解释了CoOx@Pt/C催化剂在抗氧化溶解和Ostwald熟化过程中的高稳定性。

总结展望

本研究开发的CoOx@Pt/C纳米催化剂在燃料电池中展现出卓越的性能和耐久性。通过嵌入CoOx簇，不仅增强了Pt的电子结构，提高了催化活性，还显著提高了催化剂的稳定性。

实验和模拟结果均证实了CoOx@Pt/C纳米催化剂具有高热力学稳定性和减少的氧化溶解倾向。在MEA测试中，CoOx@Pt/C催化剂实现了高的质量活性、额定功率密度和Pt利用率，以及在经过30,000次方波AST后的高耐久性，这些性能均优于现有的最先进的催化剂和美国能源部（DOE）的相关目标。

预计CoOx@Pt/C催化剂能够支持燃料电池长达15,000小时的使用寿命，这为降低燃料电池系统的终身成本提供了重大突破，并为提高质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的商业可行性，特别是对于重型应用，提供了重要潜力。

文献信息

标题：Embedded oxide clusters stabilize sub-2 nm Pt nanoparticles for highly durable fuel cells

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01180-x