通过尽可能低的铂 (Pt) 含量实现高催化性能是降低质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 成本的关键。然而，降低 PEMFC 中的 Pt 负载量会导致氧的传质阻力高，这是由于有限的可及活性位点引起的，并且由于长期运行中尺寸的大幅增长，会导致负载超细 Pt 纳米催化剂的稳定性降低。在此，设计了新型 Pt-金属/金属-NC 气凝胶催化剂，可显着降低与氧相关的传质阻力并具有长期耐用性。具有分层和互连孔隙的 Fe-NC 气凝胶载体的定制使具有超低 Pt 负载（50±5μg Pt/cm²）的燃料电池具有低局部氧传输阻力（0.18 s/cm）. Fe-NC 气凝胶中 Fe-N 位点的化学限制确保负载 Pt 在高达 1000℃的高温合成过程和作为燃料电池催化剂的实际应用中的高稳定性。超低 Pt 燃料电池在 0.80 A/cm²时显示出 8 mV 的低电压损失，并且在 60, 000 次加速耐久性测试循环后电化学表面积保持不变。多级孔、气凝胶和单原子的结合可以充分体现它们的结构优势，扩展对先进燃料电池催化剂合成的理解。

 
Fig 1. 从 X 射线衍射图 (XRD) 获得的 Pt-金属/金属-N-C 的结构信息。 (a) 负载在金属-N-C气凝胶上的Pt基纳米粒子的制备过程示意图及相应的结构模型（黄球代表Pt原子，黑球代表碳原子，绿球代表金属原子，蓝球代表氮原子。). (b-e) 负载在金属-N-C 气凝胶上的 Pt 基纳米粒子的 XRD 图，(b) Pt Fe / Fe-N-C，(c) Pt Co / Co-N-C，(d) Pt Mn / Mn-N-C , 和 (e) 对于 Pt Ni / Ni-N-C, Pt 的负载重量百分比约为 10 wt. %，催化剂在H2下的热处理温度为1000℃。 (f-h) 载有不同 Pt 百分比的 Fe-N-C 气凝胶的 Pt 基纳米粒子的 XRD 图，(f) 为 10 wt. % Pt, (g) for 15 wt. % Pt, (h) for 20 wt. %铂。 (i-k) 不同 Pt 负载百分比样品的 Pt (111) 的 XRD 图及其通过 Rietveld 方法的解卷积峰，(i) 对于 10 wt. % Pt, (j) for 15 wt. % Pt, (k) for 20 wt. %铂。

 
Fig 2. Pt-金属/金属-N-C 电催化剂的 TEM 和 SEM 图像。 (a) 原子分辨率 HAADF-STEM 图像呈现Pt-Fe、Pt-Co、Pt-Ni 和 Pt-Mn的有序金属间结构，(b) 呈现金属-N-C 气凝胶中的金属单原子并加载-Pt 基颗粒， (c) 金属-N-C 气凝胶的 SEM 图像，显示金属-N-C 气凝胶的孔隙和骨架。 (d-e) Ni-N-C，(f-g) Mn-N-C， (h-i) Fe-N-C的 HAADF-STEM 图像和能量色散 X 射线 (EDX) 元素映射， (j) Pt金属/金属-N-C的表面积和孔径分布曲线。

 
Fig 3. 通过X射线吸附测试（XAS）获得的Pt Fe/Fe-N-C的结构信息。(a) Fe K-edge和(b) Pt L-edge的 X 射线吸收近边光谱 (XANES)。(c) Fe和对比样与(d) Pt 和对比样的R空间中的扩展 X 射线吸收精细结构 (EXAFS)。

 
Fig 4. Pt Fe/Fe-N-C 电催化剂在旋转环台电极 (RRDE) 和膜电极组件 (MEA) 中的性能。以Pt Fe / Fe-N-C为阴极电催化剂和TKK Pt/C（50 wt. % Pt负载在Pt/ C中）为阳极电催化剂组装的不同Pt负载百分比的单燃料电池在150 KPa下的极化曲线，阳极的 Pt 负载量为 0.10 mg/cm²，(a) H₂-O₂ 燃料电池曲线，(b) H₂-空气燃料电池曲线。阴极负载 0.05 mg Pt/cm² Pt 的 H₂-空气燃料电池的加速耐久性测试 (ADT) 结果，(c) 循环伏安曲线，和 (d) 不同循环下 ADT 前后的极化曲线。(e) Pt-金属/金属-N-C 电催化剂在 1600 rpm 和 25℃下在氧气饱和的 0.10 mol/L HClO₄ 水溶液中测试的质量活性。(f) ADT 前后单个 H₂-空气燃料电池中氧的传质阻力。

 
Fig 5. 负载在碳基板上的铂基纳米粒子的耐久性计算结果。(a) Pt/C、Pt/Fe-N-C、Pt3Fe/Fe-N-C 和 Pt Fe/Fe-N-C 的结合能和 (b) 相应的优化结构。 (c-f) 从头算分子动力学结果显示在 300 K 下负载在碳基板上的两个 Pt₁₃ 粒子的团聚，以及负载在 Fe-N-C 上的粒子的结果也显示用于比较。
 
     相关研究工作由国防科技大学Junzong Feng课题组于2023年在线发表在《Adv. Mater》期刊上，原文：Single Atom and Hierarchical Pore Aerogel Confinement Strategy for Low-platinum Fuel CellSingle Atom and Hierarchical Pore Aerogel Confinement Strategy for Low-platinum Fuel Cell。

转自《石墨烯研究》公众号