新型铂基催化剂：高效稳定，推动燃料电池技术!

【研究背景】

随着可再生能源需求的不断增长，铂基催化剂因其在氧还原反应（ORR）中的卓越性能而受到广泛关注，尤其在燃料电池等领域的应用中。与传统的贵金属催化剂相比，铂基催化剂具有高活性和良好的导电性等优点。然而，铂的高成本和资源稀缺性使得其大规模应用面临挑战，同时在高温环境下，铂基催化剂的稳定性和活性往往下降，制约了其在实际应用中的表现。

近日，来自厦门大学黄小青教授、中国科学院苏州纳米研究所Yong Xu以及浙江大学曹亮课题组携手在铂基催化剂的研究中取得了新进展。该团队设计并合成了以金属/氮双掺杂碳（M–N–C）为载体的铂基中间化合物（IMCs），成功实现了在高温下的铂颗粒稳定性。通过构建独特的铂-金属-氮配位结构，研究者有效控制了铂的价态，从而显著提高了催化剂的活性和耐久性。

在性能测试中，所制备的g-Zn–N–C/PtCo催化剂在ORR中显示出优异的表现，催化活性达到了2.99 A mgPt−1，远超传统的N–C/PtCo（0.71 A mgPt−1）和Pt/C（0.27 A mgPt−1）催化剂。此外，经过多次电位循环后，该催化剂的性能保持率高达98.3%，在燃料电池阴极中的集成测试中也显示出79.3%的性能保持率。最重要的是，在连续230小时的运行中，该催化剂未出现显著的电压衰减，充分证明了其在燃料电池实际应用中的潜力。

【表征解读】

本文通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、X射线衍射（XRD）、X射线吸收谱（XAS）等多种表征手段，对铂基互金属化合物（IMCs）的微观结构和电化学性能进行了深入的研究。这些表征手段揭示了铂基IMCs在高温环境下的稳定性以及其催化活性，这对理解催化反应过程具有重要意义。

首先，通过HAADF-STEM技术观察到，铂基IMCs在氮掺杂碳载体上呈现出超细尺寸（<2 nm）且高度均匀分散。该图像清晰展示了铂基IMCs与载体的结合模式，进一步支持了铂-金属-氮配位结构的形成。这种独特的配位结构有效控制了铂的价态，从而提高了其催化性能。在微观机理方面，本文分析了铂颗粒在M–N–C载体上的电子结构变化，揭示了铂-氮配位对铂基IMCs稳定性和催化活性的重要影响。

针对铂基IMCs在氧还原反应（ORR）中的表现，本文通过XRD和XAS对其相结构和电子特性进行了详细表征。XRD结果表明，经过600°C的退火处理后，铂基IMCs展现出明显的面心立方（fcc）相特征，而未观察到明显的铂晶体相。这一发现说明铂基IMCs的形成是依赖于其特殊的电子结构。XAS谱图则揭示了铂-氮配位的增强与铂-金属-氮相互作用之间的协同效应，表明铂与载体的相互作用对催化性能的提升起到了关键作用。

在此基础上，本文还探讨了铂基IMCs在ORR中的催化活性，发现g-Zn–N–C/PtCo在不同铂负载量下展现出优异的催化性能，MA（每毫克铂的电流密度）达到2.99 A mgPt−1，显著高于其他催化剂。这一结果不仅表明了铂基IMCs在氧还原反应中的应用潜力，还强调了其在燃料电池中的实际应用价值。此外，稳定性测试表明，经过10K电位循环后，g-Zn–N–C/PtCo的MA保持率高达98.3%，进一步验证了其在长期应用中的稳定性。

总之，通过HAADF-STEM、XRD和XAS等多种表征手段，本文深入分析了铂基IMCs的微观结构和催化机制。这一研究不仅为铂基催化剂的开发提供了新的思路，也为未来推动高效燃料电池的进步奠定了基础。通过这一系列的表征和分析，本文成功制备了新型铂基IMCs材料，展现出其在电化学催化领域的重要应用前景。

【图文速递】

图1. N–C/PtCo和g-Zn–N–C/PtCo的设计与表征示意图。

图2. 经0.5 M HNO3处理后的g-Zn–N–C/PtCo结构。

图3. g-M–N–C/PtCo和g-Zn–N–C/PtxM的结构表征。

图4. 电催化和燃料电池性能。

图5. g-Zn–N–C/PtCo和N–C/PtCo的原位电化学XRD和理论研究。

【科学启迪】

本文的研究通过原子级别的配位调控，可以有效提升催化性能和稳定性。特别是在铂基催化剂的研究中，引入“原子胶”概念为铂的纳米颗粒提供了更为稳固的支撑，这不仅能够防止颗粒的聚集和流失，还能增强其在氧还原反应中的催化活性。研究表明，金属/氮双掺杂碳载体（M–N–C）的独特配位结构，能够有效地稳定铂-金属-氮相互作用，提高了铂基纳米颗粒的分散性和活性。此外，通过优化催化剂的合成条件和改进材料设计，能够显著增强其在实际应用中的耐久性和性能稳定性。这一研究成果不仅为铂基催化剂在燃料电池等能源转换领域的应用提供了新的思路，也为其他类型催化剂的优化设计提供了借鉴，强调了材料界面及相互作用在催化性能提升中的重要性。这种原子级的调控方法，为未来开发高效、稳定的催化剂提供了有价值的指导。

原文详情：Zhongliang Huang et al. ,Atom-glue stabilized Pt-based intermetallic nanoparticles.Sci. Adv.10,eadq6727(2024).DOI:10.1126/sciadv.adq6727