研究背景
質子交換膜燃料電池（PEMFCs）是高效的能量轉換設備，因其在電動汽車、可再生能源存儲等領域的應用而備受關注。與傳統的燃料電池材料相比，PEMFCs具有更高的能量密度和更低的環境影響等優點。然而，PEMFCs的性能受限于陰極的氧還原反應（ORR）緩慢，這導致了商業化鉑（Pt）催化劑在成本、活性和耐久性方面面臨挑戰。因此，提高催化劑的穩定性和活性成為燃料電池研究中的重要課題。近日，上海交通大學鄔劍波、Tao Deng、高文旆，美國加利福尼亞大學歐文分校Xiaoqing Pan等攜手在“Science Advances”期刊上發表了題為“Highly stable and active catalyst in fuel cells through surface atomic ordering”的最新論文。該團隊設計并制備了具有表面金屬間化合物結構的鉑-鐵納米線催化劑（Surf-IM-PtFe NWs），成功實現了低溫下的原子有序轉變，保持了納米線的形狀和高催化活性。通過限制表面層內的原子擴散，催化劑在熱處理過程中實現了相變，同時避免了內部區域的原子運動。 利用這種新型催化劑，研究團隊顯著提高了催化劑在膜電極組件（MEA）中的穩定性，鐵的損失降低了50%，同時保持了與液相半電池相當的高催化活性。此外，密度泛函理論（DFT）計算表明，金屬間化合物表面能有效穩定催化劑形態，防止快速腐蝕，進一步改善了ORR活性。這項研究為形狀控制的Pt基合金催化劑在燃料電池中的實際應用開辟了新的可能性，提供了更為穩健的解決方案，以應對傳統催化劑在長期使用中的降解問題。1. 實驗首次通過表面原子有序控制，成功實現了鉑-鐵納米線的無序到有序相變，得到穩定的金屬間化合物結構。
2. 實驗通過精確控制退火過程，限制了原子擴散僅發生在表面層，從而在低溫下實現了鉑-鐵納米線的表面有序化，而內部形貌保持不變。
3. 實驗通過RDE測試，發現該表面金屬間化合物催化劑在MEA中表現出顯著的穩定性，Fe損失減少了50%，同時保持了與半電池中相當的高催化活性。
4. 實驗通過密度泛函計算，解釋了表面金屬間化合物結構在抗腐蝕性和ORR催化活性方面的優勢，表面有序化有助于提高催化劑的長期耐用性。圖文速遞
圖1. 在原位低溫退火下PtFe納米線表面金屬間化合物的形成。圖3. 在液相半電池和單燃料電池中的電催化活性與耐久性評估。 總結展望
基于Pt合金的氧還原反應（ORR）催化劑在旋轉盤電極（RDE）測試中具有高活性，但在質子交換膜燃料電池（PEMFCs）中的陰極催化劑層的關鍵效率仍需進一步改進。為此，催化劑的長期穩定性需要在不降低催化活性的情況下進一步提高。本文提出了一種“表面金屬間化合物”設計概念，并開發了低溫表面自組裝（LT-SAO）策略，以實現具有優異形狀保持能力的1D PtFe納米線的表面無序到有序轉變。通過原位掃描透射電子顯微鏡（STEM）研究，探索并確定了驅動表面原子有序的熱力學優越溫度和最佳退火時間，同時抑制了全局原子擴散。實驗結果表明，通過RDE測試評估的Surf-IM-PtFe納米線催化劑的高催化活性在MEA中得到了良好的傳遞，這在以往的研究中從未報道。與完全隨機的PtFe合金納米線相比，Surf-IM-PtFe納米線在液體半電池和H?-O?單燃料電池的長期運行中表現出顯著的耐久性提高。該催化劑在MEA中的MA保持率也在所有PtFe基和Pt基合金催化劑中處于領先水平，在AST后保持了高達78.6%的原始值。DFT計算進一步揭示，形成的金屬間化合物表面具有更高的電偶腐蝕抗性，可以顯著抑制Fe的快速浸出，并有效防止催化劑降解。基于這些發現，形狀可控的Surf-IM-Pt合金納米晶體被證明是PEMFC中高效陰極ORR催化劑層的有前景的候選材料。 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
