研究背景
质子交换膜燃料电池（PEMFCs）是高效的能量转换设备，因其在电动汽车、可再生能源存储等领域的应用而备受关注。与传统的燃料电池材料相比，PEMFCs具有更高的能量密度和更低的环境影响等优点。然而，PEMFCs的性能受限于阴极的氧还原反应（ORR）缓慢，这导致了商业化铂（Pt）催化剂在成本、活性和耐久性方面面临挑战。因此，提高催化剂的稳定性和活性成为燃料电池研究中的重要课题。近日，上海交通大学邬剑波、Tao Deng、高文旆，美国加利福尼亚大学欧文分校Xiaoqing Pan等携手在“Science Advances”期刊上发表了题为“Highly stable and active catalyst in fuel cells through surface atomic ordering”的最新论文。该团队设计并制备了具有表面金属间化合物结构的铂-铁纳米线催化剂（Surf-IM-PtFe NWs），成功实现了低温下的原子有序转变，保持了纳米线的形状和高催化活性。通过限制表面层内的原子扩散，催化剂在热处理过程中实现了相变，同时避免了内部区域的原子运动。 利用这种新型催化剂，研究团队显著提高了催化剂在膜电极组件（MEA）中的稳定性，铁的损失降低了50%，同时保持了与液相半电池相当的高催化活性。此外，密度泛函理论（DFT）计算表明，金属间化合物表面能有效稳定催化剂形态，防止快速腐蚀，进一步改善了ORR活性。这项研究为形状控制的Pt基合金催化剂在燃料电池中的实际应用开辟了新的可能性，提供了更为稳健的解决方案，以应对传统催化剂在长期使用中的降解问题。1. 实验首次通过表面原子有序控制，成功实现了铂-铁纳米线的无序到有序相变，得到稳定的金属间化合物结构。
2. 实验通过精确控制退火过程，限制了原子扩散仅发生在表面层，从而在低温下实现了铂-铁纳米线的表面有序化，而内部形貌保持不变。
3. 实验通过RDE测试，发现该表面金属间化合物催化剂在MEA中表现出显著的稳定性，Fe损失减少了50%，同时保持了与半电池中相当的高催化活性。
4. 实验通过密度泛函计算，解释了表面金属间化合物结构在抗腐蚀性和ORR催化活性方面的优势，表面有序化有助于提高催化剂的长期耐用性。图文速递
图1. 在原位低温退火下PtFe纳米线表面金属间化合物的形成。图3. 在液相半电池和单燃料电池中的电催化活性与耐久性评估。 总结展望
基于Pt合金的氧还原反应（ORR）催化剂在旋转盘电极（RDE）测试中具有高活性，但在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中的阴极催化剂层的关键效率仍需进一步改进。为此，催化剂的长期稳定性需要在不降低催化活性的情况下进一步提高。本文提出了一种“表面金属间化合物”设计概念，并开发了低温表面自组装（LT-SAO）策略，以实现具有优异形状保持能力的1D PtFe纳米线的表面无序到有序转变。通过原位扫描透射电子显微镜（STEM）研究，探索并确定了驱动表面原子有序的热力学优越温度和最佳退火时间，同时抑制了全局原子扩散。实验结果表明，通过RDE测试评估的Surf-IM-PtFe纳米线催化剂的高催化活性在MEA中得到了良好的传递，这在以往的研究中从未报道。与完全随机的PtFe合金纳米线相比，Surf-IM-PtFe纳米线在液体半电池和H₂-O₂单燃料电池的长期运行中表现出显著的耐久性提高。该催化剂在MEA中的MA保持率也在所有PtFe基和Pt基合金催化剂中处于领先水平，在AST后保持了高达78.6%的原始值。DFT计算进一步揭示，形成的金属间化合物表面具有更高的电偶腐蚀抗性，可以显著抑制Fe的快速浸出，并有效防止催化剂降解。基于这些发现，形状可控的Surf-IM-Pt合金纳米晶体被证明是PEMFC中高效阴极ORR催化剂层的有前景的候选材料。 Yanling Ma et al. ,Highly stable and active catalyst in fuel cells through surface atomic ordering.Sci. Adv.10,eado4935(2024).DOI:10.1126/sciadv.ado4935
