Nano Lett.┃铂−钴纳米骨架高效催化燃料电池

英文原题：High-Performance Pt−Co Nanoframes for Fuel-Cell Electrocatalysis

通讯作者：杨培东，加州大学伯克利分校

作者：Shouping Che (陈寿平)†, Mufan Li (李慕凡)†, Mengyu Gao, Jianbo Jin, Matthijs A. van Spronsen, Miquel B. Salmeron, and Peidong Yang (杨培东)*

燃料电池在电动汽车及便携式电子设备等能源领域具有广泛的应用前景。在常见的燃料电池中，燃料（如甲醇）在阳极被氧化，氧化剂（如氧气）在阴极被还原，根据其种类的不同，电解液既可以为酸性也可以为碱性溶液。为了达到最大的输出功率，无论在酸性或碱性条件下，阳极的甲醇氧化反应和阴极的氧气还原反应都需要被高效催化。目前，金属铂是燃料电池中众多反应的最佳催化剂，但是，它的高额成本及稀缺性限制了其广泛应用。为了能够在提高催化性能的同时减少金属铂的用量，合理设计催化剂的组分和形貌尤为重要。

近日，加州大学伯克利分校杨培东院士（点击查看介绍）课题组通过结合中空的纳米骨架结构以及具有优异催化性能的铂−钴组分制备出了铂−钴纳米骨架，所得材料在氧气还原反应和甲醇氧化反应中均表现出高效的催化性能。在研究中，作者首先合成了相分离的铂−钴菱形十二面体，其中，铂富集相主要集中在多面体的棱上，而钴富集相则均匀分布在纳米粒子的内部。接下来，通过硝酸刻蚀掉钴富集相，剩余的铂富集相就形成了中空的纳米骨架结构（图1）。铂−钴纳米骨架在酸性氧气还原反应中表现出良好的性能，在0.95 V电压下，其初始质量活性为0.40 A mg_Pt^-1，是商业铂碳催化剂的4倍以上，更重要的是，在经过10000次电化学循环后，其质量活性仍保持为0.34 A mg_Pt^-1，依然远高于商业铂碳催化剂的起始活性（图2a−c）。同时，铂−钴纳米骨架在碱性溶液中也具有突出的氧气还原反应活性，其起始质量活性在0.9 V电压下为0.55 A mg_Pt^-1，约为商业铂碳催化剂的3倍（图2d−f）。在该反应中，铂−钴纳米骨架的高活性来自于钴可以削弱铂和含氧反应中间体的结合能力，而其高稳定性则是由于电化学中没有钴的额外流失。除了氧气还原反应，铂−钴纳米骨架对甲醇氧化反应也具有优异的活性，在碱性条件下，其质量活性为4.28 A mg_Pt^-1，高于商业铂碳催化剂4倍。实验结果表明纳米骨架与一氧化碳等含碳毒化中间体的弱相互作用有助于提高甲醇氧化反应的性能（图3）。此外，铂−钴纳米骨架在不同的电催化后均表现出优异的结构稳定性，其形貌、组分和元素分布等都没有发生明显变化（图4），这主要是由于硝酸刻蚀形成的稳定的表面和组分可以抑制钴的电化学流出以及表面重构。这项工作为合理设计高效铂基多金属催化剂提供了新的思路。

图1. 铂−钴菱形十二面体和纳米骨架的结构。

图2. 铂−钴纳米骨架的氧气还原反应性能: (a−c) 酸性, (d−f) 碱性。

图3. 铂−钴纳米骨架的甲醇氧化反应性能。

图4. 铂−钴纳米骨架在电催化后的结构稳定性。

这一成果近期发表在Nano Letters 上，加州大学伯克利分校博士生陈寿平、博士后李慕凡为文章的共同第一作者，杨培东教授为通讯作者。

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High-Performance Pt–Co Nanoframes for Fuel-Cell Electrocatalysis

Shouping Chen, Mufan Li, Mengyu Gao, Jianbo Jin, Matthijs A. van Spronsen, Miquel B. Salmeron, Peidong Yang*

Nano Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b05251

Publication Date: February 12, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

导师介绍

杨培东

https://www.x-mol.com/university/faculty/761

（本稿件来自ACS Publications）