低溫聚合物電解質膜(PEM)燃料電池，如氫PEM燃料電池(PEMFCs)和直接甲醇燃料電池(DMFCs)，因其較高的能量密度和轉換效率，被廣泛認為是下一代能量轉換器件。然而，陰極氧還原反應(ORR)和陽極甲醇氧化反應(MOR)由于多種反應物或中間體的轉化而表現(xiàn)出相當慢的反應動力學。Pt電催化劑是ORR和MOR的常用催化劑，但是Pt不斷上漲的價格和有限的可用性限制了其的大規(guī)模使用。因此，設計含過渡金屬的Pt合金是降低Pt含量和提高Pt催化劑電催化活性的一種有前景的策略。

基于此，華南理工大學廖世軍等人提出了一種制備高性能復合催化劑的簡便方法，該復合催化劑包括Pt-Co金屬間納米粒子(IMN)和Co，N共摻雜碳(Co-N-C)電催化劑。

根據(jù)所有催化劑的極化曲線可以發(fā)現(xiàn)，fct-PtCo@Co-N-C催化劑表現(xiàn)出更好的ORR活性，表現(xiàn)出更正的半波電位(E_1/2，0.95 V)，其中fct-PtCo/C，Co-N-C和商業(yè)Pt/C的E_1/2分別為0.93，0.75和0.87 V。雖然fcc-PtCo/C的初始E_1/2為0.93 V，但在0.75 V的循環(huán)伏安(CV)曲線中可以觀察到明顯的Co氧化峰，隨著CV循環(huán)的增加，Co氧化峰逐漸消失。這證實了PtCo合金納米粒子中Co的連續(xù)溶解或存在不穩(wěn)定的、無序的fcc-PtCo納米粒子。

此外，結構的快速變化導致fcc-PtCo/C的半波電位在50個CV循環(huán)后衰減約30 mV。之后，本文根據(jù)極化曲線還得到了催化劑的Tafel斜率，可以用于研究催化劑的ORR動力學。與Pt/C(71 mV dec^-1)、fct-PtCo/C(69 mV dec^-1)和Co-N-C(143 mV dec^-1)相比，fct-PtCo@Co-N-C(65 mV dec^-1)具有最小的Tafel斜率，因此其具有最快的ORR動力學。

值得注意的是，fct-PtCo@Co-N-C在0.95 V時的質量活性為0.44 A mg_Pt^-1，是fct-PtCo/C和Pt/C(分別為0.20和0.03 A mg_Pt^-1)的1.7倍和11.3倍。在0.9 V時，fct-PtCo@Co-N-C的質量活性為1.96 A mg_Pt^-1，是fct-PtCo/C和Pt/C的2.06和12.25倍(分別為0.95和0.16 A mg_Pt^-1)。

更重要的是，對于MOR，在相同的催化劑負載下，盡管PtCo基催化劑中的Pt含量僅為Pt/C催化劑的60%，但PtCo基催化劑的電流密度顯著增加。在峰值電流密度下，fct-PtCo@Co-N-C的質量活性為2.92 A mg_Pt^-1，分別是fct-PtCo/C和商業(yè)Pt/C的1.45和3.28倍(分別為2.02和0.89 A mg_Pt^-1)。總之，本文制備的fct-PtCo@Co-N-C催化劑表現(xiàn)出更高的ORR和MOR活性。

根據(jù)以上研究結果可以發(fā)現(xiàn)，本研究成功地設計并制備了一種高效穩(wěn)定的復合電催化劑。該催化劑由有序的PtCo金屬間核和Pt-skin殼組成，Co-N-C層有效地控制了粒徑，從而使得催化劑具有優(yōu)異的催化活性，這些結果也是PtCo IMN和Co-N-C之間的協(xié)同作用的結果。此外，由于包覆碳層阻止了PtCo IMN的溶解、Oswald成熟、轉化和聚集，因此催化劑獲得了良好的催化劑穩(wěn)定性。

令人滿意的是，制備的fct-PtCo@Co-N-C催化劑在酸性介質中對ORR和MOR表現(xiàn)出良好的電催化活性和穩(wěn)定性。綜上所述，本研究為Pt基合金催化劑的活性增強和穩(wěn)定性能提供了新的途徑。這些結果可以推廣到其他體系，如鈀基或釕基合金，以加速其在電化學反應中的實際應用。

Ultrathin Co-N-C Layer Modified Pt–Co Intermetallic Nanoparticles Leading to a High-Performance Electrocatalyst toward Oxygen Reduction and Methanol Oxidation, Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202301337.

https://doi.org/10.1002/smll.202301337.