咨询电话:021-58952328
Angew. Chem. :“内外兼修”——铑掺杂实现铂合金超长氧还原电催化的调控策略2024-06-13
提升Pt基合金催化剂的氧还原反应(ORR)催化剂活性及长期稳定性是推进质子交换膜燃料电池(PEMFC)大规模商用的前提。然而,合金催化剂的ORR催化活性难以满足PEMFC低成本发展的需求。同时,强酸环境和严苛的运行工况,会导致PEMFC催化剂在工况运行时过渡金属组分快速的溶出,导致催化剂的降解失效。因此,如何通过合理的组分调控及结构设计,抑制体相原子的扩散的同时构建稳定的催化剂表面结构是开发工况条件下长期稳定Pt合金催化剂的关键。

近日,华北电力大学刘建国教授和李佳副教授采用Rh掺杂的策略制备的Pt基合金催化剂(Rh-Pt3Co/C),缓解了二元合金催化剂在长期电化学循环过程中过渡金属组分溶出导致的性能衰减。进一步在长期电化学循环过程中,对催化剂的组成和结构变化进行系统研究。通过跟踪耐久性测试过程中的元素溶出情况及物相结构变化,同时借助理论计算验证催化剂的表面演化过程及催化剂耐久性的提升机制。结合表征分析进一步揭示Rh掺杂对于合金结构稳定性的作用机理,验证Rh-Pt3Co/C作为低Pt载量PEMFC阴极催化剂的应用潜力。

1
图1 ORR性能及耐久性测试

在长期电化学测试过程中,Rh-Pt3Co/C展现出出色的ORR催化性能及长期耐久性。Rh-Pt3Co/C经过170000圈的电位循环后,其质量活性保持为1.21 A mgPt-1,仅比初始降低了8 %,远小于Pt/C(45 %)和相似尺寸的Pt3Co/C(42 %),且优于大部分已报道的ORR的Pt基合金催化剂,证明Rh的掺杂对于催化剂长期循环耐久性的提升起到了关键作用。

2
图2 稳定性来源的理论研究

同时,理论模拟计算表明Rh的掺杂增强了表面及体相中Pt-Pt的键能,提升了催化剂的稳定性。同时,Rh增加了合金体相中Co原子的扩散和迁移能垒,进而抑制了Co的溶出,实现了催化剂结构的长期稳定性。Rh的掺杂实现了催化剂在耐久性测试过程中ORR活性的保持,使Rh-Pt3Co/C成为PEMFC超低Pt载量应用中最具竞争力的Pt基ORR催化剂之一。

8
图3 膜电极性能测试

在极低的阴极Pt载量(0.05 mgPt cm-2)的PEMFC单电池测试中,Rh-Pt3Co/C在经过50000圈方波扫描后仍然可以保持0.88 W cm-2的峰值功率密度,且0.8 A cm-2处的电压没有损失,表明其作为低Pt载量PEMFC阴极催化剂的广阔的应用前景。

该工作提出了一种通过组分调控提高ORR合金催化剂耐久性的实用方法,为PEMFC长寿命Pt合金催化剂的开发提供了新的设计策略。

文信息

Strategies for Achieving Ultra-long ORR Durability – Rh Activates Interatomic Interactions in Alloys

Xiaoke Li[a,b]+, Xiao Duan[a]+, Siao Zhang[b], Chuanjie Wang[b], Kang Hua[a], Zejin Wang[a], Yongkang Wu[a], Jia Li[b]*, Jianguo Liu[b]*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202400549

最新产品
园区介绍