在此，提出了一种空间限域方法制备小尺寸、高稳定性CoPt纳米合金催化剂的策略。该制备策略分为两个步骤，首先，在ZIF-67前驱体颗粒表面包裹SiO₂壳层，使ZIF-67热解过程中，Co原子的迁移受到SiO₂壳层的抑制，从而缩小了Co纳米颗粒的粒径。随后，基于上述Co纳米颗粒碳载体，在吸附-退火制备CoPt合金过程中，Co纳米颗粒表面原位形成的石墨烯壳层进一步抑制纳米金属颗粒的聚结，形成了小尺寸CoPt纳米合金（平均直径为2.61 nm）。在0.1 M HClO₄溶液中的RDE测试结果表明，在0.9 V vs RHE条件下，CoPt纳米合金催化剂的质量活性达到681.8 mA mgPt^-1。此外，基于CoPt纳米合金的PEMFC的最大功率密度分别达到2.22 W cm^-2 (H₂/O₂)和0.923 W cm^-2 (H2/air)。PEMFC的稳定性测试是在80°C，50% R.H.条件下进行的。在100至500 mA cm^-2之间超过100小时（每个电流保持1小时）的脉冲测试结果表明，这种小尺寸CoPt纳米合金催化剂所制备的膜电极的电压基本保持不变，展现了较好的电化学稳定性。本工作旨在为PtM纳米合金催化剂的合成提供一种新的策略，为面向PEMFC的低Pt含量、高本征活性和稳定性的催化剂设计提供参考。

 
Fig 1. a) ZIF-67 衍生的 CoPt 纳米合金催化剂的制造过程示意图。b) CoZ-60Pt催化剂边缘和相应晶格条纹的高分辨率TEM图像。比例尺代表 1 nm。c) Pt和Co元素的STEM元素映射和相应的元素比。

 
Fig 2. （a）CoZ-60Pt催化剂退火前的HR-TEM图和元素线扫图，（b）CoZ-60Pt催化剂退火后的HR-TEM图和元素线扫图，（c）CoZ-60Pt催化剂粒径统计图，（d）没有石墨烯壳层保护的Pt基催化剂的粒径统计图。

 
Fig 3. CoPt催化剂退火前后的（a）XRD和（b）XPS图，（c）不同催化剂的LSV曲线，（d）不同Pt基金属表面对氧气分子的吸附示意图，（e）小尺寸CoPt纳米合金制备流程示意图。

 
Fig 4. a) 氮气吸附-脱附等温线和相应的 b) 孔径分布曲线，c) XRD 模式，和 d) 具有不同 Pt 负载的不同催化剂的 XPS 测量光谱。e) Pt 4f 的高分辨率 XPS 光谱和相应的解卷积曲线。f) CoZ-10Pt 中 Co 和 Pt 元素的 STEM-EDS 元素映射。g) CoZ-10Pt 的 HAADF-STEM 图像。虚线圆圈表示单个金属原子。

 
Fig 5. ORR a) CV、b) LSV (1600 rpm) 曲线和相应的 c) Tafel 图显示为使用 RDE 几何面积归一化的动电流密度 ( j_k )。d) 在 1600 rpm 下通过 RDE 测试，不同催化剂在 0.8 V 与 RHE 的 EIS 曲线。e) CoZ-60Pt 催化剂在 0.1 M HClO₄中的电子转移数和 H₂O₂产率在 0.20-0.95 V 范围内相对于 RHE。f) CoZ-60Pt催化剂在0、1000、2000、3000次循环伏安扫描后的LSV曲线。

 
Fig 6. a) ORR LSV 曲线和相应的 b) Tafel 图以动态电流密度 ( j_k )形式给出，通过 RDE 在 1600 rpm 下对Pt 进行归一化。CoZ-60Pt 的 PEMFC 测试在 80℃下具有不同背压的 c) H₂-O₂和 d) H₂-空气。e) CoZ-60Pt-0.2 mg Pt cm^-2在 80℃和 50% 相对湿度下的稳定性曲线。
 
       相关研究工作由天津大学Junfeng Zhang和Yan Yin课题组于2023年共同发表在《ADVANCED SCIENCE》期刊上，原文：Space Confinement to Regulate Ultrafine CoPt Nanoalloy for Reliable Oxygen Reduction Reaction Catalyst in PEMFC。

转自《石墨烯研究》公众号