大氣中二氧化碳濃度的迅速增加和由此產生的全球變暖以及其他氣候問題迫使人們減少對化石燃料的依賴，使用清潔和可再生能源，最終實現碳中和。在眾多的選擇中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)被認為是最有希望用可再生能源取代傳統化石燃料的候選裝置之一，然而PEMFC陰極極慢的氧還原反應(ORR)需要使用高效的電催化劑。

碳負載的Pt基納米顆粒是目前最有效和商業化的ORR催化劑，但其稀缺性、高成本和較差的穩定性阻礙了其大規模應用。在目前的策略中，將過渡金屬與Pt合金結合是一種相對成熟的方案，既可以減少Pt的使用，又可以提高ORR的性能。此外，PEMFC的工作溫度通常為75-95℃，因此有必要研究碳負載的Pt基電催化劑在工作溫度下的穩定性。

基于此，上海電力大學朱晟、潘慧和閔宇霖(共同通訊)等人通過簡單的F摻雜策略，制備了F摻雜碳負載的PtZn i-NPs(PtZn i-NPs/F-C)催化劑。研究表明，F元素的摻雜增強了金屬-載體相互作用(MSI)，使得催化劑展現出優異的催化性能。

基于以上研究背景，本文除了在25°C的條件下測試了催化劑的ORR性能，還分別60℃和80℃下(0.1 M HClO₄)，對PtZn i-NPs、PtZn/C和商用Pt/C的ORR性能進行了電催化測試。首先，根據在不同工作溫度下的ORR極化曲線可以發現，與商業Pt/C相比，PtZn i-NPs/F-C在三種不同的工作溫度下表現出更高的活性，這證明了F元素的有效摻雜。

值得注意的是，所有催化劑的ORR半波電位排列如下：PtZn i-NPs/F-C>Pt/C> PtZn/C。具體來說，在室溫下，PtZn i-NPs/F-C的半波電位(E_1/2)約為0.868 V，比商業Pt/C電極(0.849 V)高21 mV。更加重要的是，當本文的測試溫度為60°C和80°C時，PtZn i-NPs/F-C仍然保持0.866 V和0.865 V的半波電位，這大約高于商業Pt/C電極20 mV(0.845 V)。對于PtZn/C電極，值得注意的是，其ORR活性隨著工作溫度的升高而降低，具體原因可能是溫度升高導致反應速率加快，非貴金屬加速溶解，從而導致催化劑的ORR性能降低。

之后，本文還在0.1 M HClO₄中，在不同的溫度下對PtZn i-NPs/F-C、Pt/C和PtZn/C催化劑的穩定性進行了測試。測試結果表明，經過5000次循環測試后，在室溫下，PtZn i-NPs/F-C電極的半波電位(0.865 V)表現出可忽略的衰減，僅衰減3 mV，而Pt/C和PtZn/C的半波電位則分別產生了11 mV和25 mV的負移。

同時，本文還觀察到PtZn/C的極限擴散電流密度顯著下降，這是由于未經處理的碳載體與PtZn/C合金復合，兩者之間的相互作用較弱所致。隨著操作時間的增加，金屬顆粒脫落，導致電流密度減小。更加重要的是，在80℃的溫度下，經過5000次掃描循環后，PtZn i-NPs/F-C的半波電位(0.856 V)僅下降了約9 mV，而Pt/C和PtZn/C的半波電位分別下降了68mV 和75mV。以上結果表明PtZn i-NPs/F-C具有優異的ORR性能。

本文證明了PtZn i-NPs/F-C催化劑具有良好的電化學ORR活性，而F元素具有重要作用。首先，C-F鍵的存在增強了金屬載體的相互作用；其次，F和Zn元素共同作用，通過改善Pt元素的電子態，調整其d帶中心，使其成為中間過渡活性位點，提高其光學性能并增強其ORR本征活性。電化學測試表明，PtZn i-NPs/F-C在酸性電解質中的性能可以與商業Pt/C進行比較。

另外，本文通過準原位拉曼光譜證明PtZn i-NPs/F-C具有良好的耐腐蝕性能，碳材料的ID/IG比值從初始的1.10提高到1.37，遠低于商業Pt/C的1.56。同時，碳材料的sp²區域的尺寸從14.10 nm減小到11.32 nm，遠高于商業Pt/C的10.32 nm，這是由于F元素具有較強的電負性，阻礙了反應過程中產生的活性氧的攻擊，抑制了碳與氧的親核反應，有效減緩了碳載體的腐蝕。在本工作中，探討了溫度升高對催化劑穩定性的影響，并提出了有效的解決策略，為后續ORR催化劑的研究提供了新的視角。

Electrocatalyst with Fluorinated Protective Layer for Efficient Oxygen Reduction in the Operating Temperature of PEMFCs, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.143105.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143105.