用于氧还原反应的铂基纳米晶

氢燃料质子交换膜燃料电池（H₂-PEMFC）因其高效、零排放等优点受到广泛的关注。目前Pt基催化剂被广泛应用于PEMFC中的氧还原反应（ORR），但是由于Pt昂贵的价格制约了其在PEMFC上的产业化应用。根据美国能源部（DOE）燃料电池技术办公室的预测，即使以量产阶段预算，Pt基催化剂的成本仍占燃料电池总成本的41%。因此，设计和制备高活性，稳定的Pt基催化剂以满足在不损失催化性能的条件下减少Pt基催化剂的用量成为实现PEMFC产业化应用的一大重点。

近年来，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的黄昱（点击查看介绍）及北京理工大学的李煜璟（点击查看介绍）课题组在Pt基催化剂的设计和制备及其在燃料电池领域的应用上取得了优秀的成果。近日，黄昱和李煜璟团队从实验和理论研究两个方面对Pt基ORR催化剂的研究进行总结。文章分为三个部分：第一部分总结了目前评估电化学性能的重要参数和测试方法，强调了规范性测试对评估催化剂性能的重要性；第二部分对高面积活性Pt基催化剂的设计思路依据其基础原理进行了分类（图1），总结了提升催化活性的两大类策略：电子结构调控（组成、晶面、应力）、催化活性位点设计，此外该部分也对提升催化剂表面活性面积及稳定性的方法进行了归类（结构及合金相调控，构建一维纳米线、二维纳米片）；第三部分聚焦于Pt基催化剂在膜电极组件（MEA）中的应用研究（图2，图3），文中指出了基于旋转圆盘电极的半电池测试和基于膜电极的全电池测试的不同以及在全电池测试中评估催化剂实际应用环境中性能的重要性，总结了美国能源部对燃料电池提出的目标及 ORR催化剂在全燃料电池测试中的要求并指出提高催化剂的功率密度为研究的重点和难点。最后在展望部分讨论了众多新颖的界面表征方法对未来电极设计的指导性意义，例如原位红外、基于同步辐射的原位X射线吸收光谱以及UCLA黄昱、段镶锋等开发的电子传输谱 (electron transport spectroscopic, ETS)。

图1. Pt基催化剂ORR性能优化方案

图2. 燃料电池装置的结构示意图CL: 催化剂层；GDL: 气体扩散层；PEM: 质子交换膜

图3. 近期各种Pt基催化剂在全电池中稳定性及额定功率的汇总图

这一综述文章发表在Advance Materials 上，文章的第一作者为赵紫鹏、陈长利、刘泽延。通讯作者为美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的黄昱及北京理工大学的李煜璟。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Pt‐based Nanocrystal for Electrocatalytic Oxygen Reduction

Zipeng Zhao, Changli Chen, Zeyan Liu, Jin Huang, Menghao Wu, Haotian Liu, Yujing Li, Yu Huang

Adv. Mater., 2019, 31, 1808115, DOI: 10.1002/adma.201808115

黄昱博士简介

黄昱，加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系教授。研究领域主要面向纳米尺度下的材料合成及组装，发掘其独特的物理化学机制并将其运用于生物医药、能源、电子等领域。

https://www.x-mol.com/university/faculty/31097

李煜璟博士简介

李煜璟，北京理工大学材料学院研究员。研究领域主要面向纳米材料的精准制备与结构调控、用于质子交换膜燃料电池的铂基催化剂的合成制备和小有机分子的电催化转化。

https://www.x-mol.com/university/faculty/69062