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多相催化研究：PtRu催化劑與氮摻雜碳載體的協(xié)同促進(jìn)HOR！

來源：時(shí)間：2023-09-14 14:15:41 瀏覽：1151次

第一作者：Weiyan Ni

通訊作者：胡喜樂教授、William E. Mustain

通訊單位：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院，美國南卡羅來納大學(xué)

DOI: 10.1038/s41929-023-01007-1

研究背景

氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFC）是一種具有潛在經(jīng)濟(jì)效益的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。目前最先進(jìn)的HEMFCs需要高負(fù)載量的鉑族金屬（PGM）催化劑，特別是用于氫氧化反應(yīng)（HOR）。然而，高成本限制了其進(jìn)一步發(fā)展。PGMs與其他金屬（Fe、Co、Ni和Mo等）合金化或摻雜，或沉積在氧化物表面以產(chǎn)生強(qiáng)的金屬-支撐相互作用，很少材料在質(zhì)量活度和本征活性方面優(yōu)于基準(zhǔn)PtRu合金。此外，界面水已被確定為影響HOR/HER動(dòng)力學(xué)的重要因素，但水-催化劑的界面相互作用在很大程度上是非共價(jià)的，不能被催化劑的電子結(jié)構(gòu)所調(diào)節(jié)?；诖?，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院胡喜樂教授和美國南卡羅來納大學(xué)William E. Mustain等人發(fā)現(xiàn)了一種多孔氮摻雜碳（pN-C）作為PGM基HOR催化劑的優(yōu)良載體。對(duì)比碳黑負(fù)載的催化劑，PGM/ pN-C催化劑具有更高的HOR活性。

文章要點(diǎn)

要點(diǎn)1：本文開發(fā)了一種多組分協(xié)同的PtRu/多孔氮摻雜碳催化劑(Pt_0.25Ru_0.75/pN-C)作為活性HOR催化劑堿性介質(zhì)，比以前的基準(zhǔn)PtRu/C高出兩倍以上。

要點(diǎn)2：實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果揭示了pN-C載體的多重作用。Pt單原子（SAs）在含Pt催化劑中創(chuàng)造了良好的界面水結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的多孔氮摻雜碳負(fù)載型PtRu HOR催化劑（PtRu/pN-C）在堿性條件下具有較高的本征活性和質(zhì)量活性。

要點(diǎn)3：低負(fù)載量PtRu/pN-C HOR催化劑在使用較低的PGM負(fù)載和零背壓的情況下，比美國能源部（DOE）2022年的目標(biāo)（1 A cm^-2）高出50%。

圖文展示

圖1.催化劑合成與表征

圖2.催化劑的X射線光譜表征

圖3. HOR機(jī)理研究

圖4.最優(yōu)PtRu/pN-C催化劑的電化學(xué)測(cè)試

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