第一作者：彭博思, Zeyan Liu

通訊作者：黃昱、Alessandro Fortunelli

通訊單位：加州大學洛杉機分校、意大利國立研究委員會

彭博思，本科畢業(yè)于武漢大學，博士畢業(yè)于美國加州大學洛杉磯分校，導師為段鑲鋒教授/黃昱教授，現(xiàn)為美國西北大學Edward H. Sargent院士團隊博士后。

論文速覽

鉑(Pt)納米催化劑對于促進質(zhì)子交換膜燃料電池中的陰極氧還原反應是必不可少的，但是在活性和耐久性之間存在折衷。

本研究成功設計了一種新型的鉑基納米催化劑，該催化劑由稀疏嵌入的氧化鈷簇（CoO_x）和鉑（Pt）納米粒子組成（CoO_x@Pt）。這種設計利用了Pt與氧化物之間的強相互作用，使得催化劑在不犧牲活性的情況下，具有高結(jié)構(gòu)和化學耐久性。

CoO_x@Pt納米催化劑在膜電極組件中表現(xiàn)出高初始質(zhì)量活性1.10 A mg_Pt^?1，額定功率密度1.04 W cm^?2，以及Pt利用率10.4 W mg_Pt^?1。在經(jīng)過加速應力測試后，它顯示出極高的耐久性，質(zhì)量活性保持率為88.2%，電流密度為0.8 A cm^?2時電壓損失僅為13.3 mV，額定功率損失僅為7.5%。這種耐久性可以提供15,000小時的長預期壽命，從而大幅降低壽命調(diào)整成本。

圖文導讀

圖1：燃料電池的架構(gòu)和CoO_x@Pt/C催化劑的設計。

質(zhì)子交換膜和催化劑層組成MEA，CoO_x@Pt核殼納米催化劑的設計優(yōu)勢，如強金屬-氧化物相互作用，減少金屬溶解，以及改善電子傳輸。

圖2：CoOx@Pt/C催化劑的合成和結(jié)構(gòu)表征。

催化劑的均勻分散性，平均粒徑尺寸，以及Co和Pt元素的分布情況。此外，通過STEM-EELS和XPS表征確認了CoO_x在Pt納米粒子內(nèi)部的稀疏分散。

圖3：CoOx@Pt/C、c-PtCo/C和c-Pt/C催化劑的MEA性能對比。

不同催化劑在H₂/O₂和H₂/空氣測試中的起始和結(jié)束壽命的質(zhì)量活性(MA)，額定功率密度，Pt利用率，以及在不同電流密度下的電壓損失。特別強調(diào)了CoO_x@Pt/C催化劑在耐久性測試中的卓越性能。

圖4：催化劑在MEA中的大小分布、組成和CO剝離分析。

不同催化劑在開始和結(jié)束壽命時的粒徑尺寸變化，Pt質(zhì)量損失，以及Co含量的變化。這些分析揭示了CoO_x@Pt/C催化劑在抑制Pt溶解和粒徑增長方面的優(yōu)勢。

圖5：模擬結(jié)果展示了代表性全局最小(GM)構(gòu)型。

Pt₇₈、Pt₇₇Co和Pt₇₇CoO₆納米催化劑的原子配置、形成能、功函數(shù)和氧吸附能量分布。這些模擬結(jié)果解釋了CoO_x@Pt/C催化劑在抗氧化溶解和Ostwald熟化過程中的高穩(wěn)定性。

總結(jié)展望

本研究開發(fā)的CoO_x@Pt/C納米催化劑在燃料電池中展現(xiàn)出卓越的性能和耐久性。通過嵌入CoO_x簇，不僅增強了Pt的電子結(jié)構(gòu)，提高了催化活性，還顯著提高了催化劑的穩(wěn)定性。

實驗和模擬結(jié)果均證實了CoO_x@Pt/C納米催化劑具有高熱力學穩(wěn)定性和減少的氧化溶解傾向。在MEA測試中，CoO_x@Pt/C催化劑實現(xiàn)了高的質(zhì)量活性、額定功率密度和Pt利用率，以及在經(jīng)過30,000次方波AST后的高耐久性，這些性能均優(yōu)于現(xiàn)有的最先進的催化劑和美國能源部（DOE）的相關目標。

預計CoO_x@Pt/C催化劑能夠支持燃料電池長達15,000小時的使用壽命，這為降低燃料電池系統(tǒng)的終身成本提供了重大突破，并為提高質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）的商業(yè)可行性，特別是對于重型應用，提供了重要潛力。

文獻信息

標題：Embedded oxide clusters stabilize sub-2?nm Pt nanoparticles for highly durable fuel cells

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01180-x