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胡喜乐最新Nature Catalysis：PtRu协同&NC载体促进H2氧化反应

时间：2023-09-01 来源：浏览：

胡喜乐最新Nature Catalysis：PtRu协同&NC载体促进H2氧化反应

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收录于合集

第一作者：Weiyan Ni

通讯作者：William E. Mustain，胡喜乐

通讯单位：洛桑联邦理工学院，南卡罗来纳大学

【研究亮点】

氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）是一种潜在的经济高效的能源转换技术。然而，目前的HEMFC需要高负载的铂族金属（PGM）催化剂，主要是用于氢氧化反应。在此，作者开发了一种多孔的N掺杂C负载的PtRu氢氧化反应催化剂（PtRu/pN-C），其在碱性条件下具有高的本征和质量活性。催化剂表正发现pN-C上存在PtRu纳米颗粒以及Pt单原子。机理研究表明， Ru调节铂Pt的电子结构以获得优化的氢键合能，而pN-C上的Pt单原子优化界面水的结构。低负载的PtRu/pN-C催化剂和商业化的Fe-N-C氧还原反应催化剂组合的HEMFC实现了高的PGM利用率。该HEMFC在0.65 V电压下，电流密度达到1.5A cm ⁻ ² ，超过了美国能源部2022年的目标（1 A cm ⁻ ² ）的50%。

【主要内容】

氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）是一种新兴的可再生电力发电技术。目前的最新HEMFC技术已经具有与质子交换膜燃料电池相媲美的性能。然而， HEMFC需要非常高的铂族金属（PGM）负载才能催化阳极上的氢氧化反应（HOR），这是经济上不可行的。因此，开发低PGM负载的高活性HOR催化剂是发展HEMFC的关键。为了提高基于PGM的HOR催化剂的活性，多种策略包括通过调节电子结构（d带中心）和双功能催化来优化反应中间体（例如H _ads 或OH _ads ）的结合能被相继开发出来。在这些方法中，PGMs与其他金属（例如Fe, Co, Ni, Mo）合金化或掺杂，或者沉积在氧化物表面以构建强金属-载体相互作用（例如Pd-CeO _x 和Ru-TiO ₂ ）。尽管进行了大量研究，但在质量活性和内在活性两方面指标，现今很少有材料能超越基准的PtRu合金。

界面H ₂ O被确认为影响HOR/HER动力学的重要因素。然而，关于不同界面H ₂ O结构的影响存在争议。Wang等人认为，在电化学偏压电位环境下，弱氢键结合的H ₂ O与阳离子形成了有序结构，促进了电子转移，从而导致更高的HER速率。Huang等人认为，这种弱氢键结合的界面溶剂环境增加了质子耦合电子转移的能垒，从而减慢了HOR/HER的动力学过程。Jia等人提出，具有氧向下（O↓）构象的强氢键结合的水通过Grotthuss机制将反应中间体移动，加速了HOR/HER的速率。尽管存在争议，调节界面H ₂ O结构似乎是改善HOR催化剂的有效策略。然而，界面H ₂ O与催化剂的相互作用主要是非共价的，因此无法通过催化剂的电子结构来调节。关于操控这种相互作用的方法鲜有提出。

基于此，洛桑联邦理工学院胡喜乐教授和南卡罗来纳大学William E. Mustain 课题组联合报道了多孔的氮掺杂碳（pN-C）可以作为PGM基HOR催化剂的优秀载体。与以碳黑载体相比，PGM/pN-C催化剂表现出更高的HOR活性。光谱和电化学研究揭示了pN-C载体的多重作用。特别是，pN-C载体促进Pt催化剂中Pt单原子（SAs）的形成。并且Pt- SAs创造了有利于HOR反应的界面H ₂ O结构。最优的催化剂，pN-C负载的PtRu HOR 催化剂（PtRu/pN-C），在碱性条件下具有高的内在活性和质量活性。具有低负载的PtRu/pN-C HOR催化剂（0.16 mgPGM/cm ² ）和商业化的Fe-N-C ORR催化剂的HEMFC实现了1.46W cm ⁻ ² 的峰值功率密度（PPD）。该HEMFC在0.65 V电压下，电流密度达到1.5 A cm ⁻² ，超过了美国能源部2022年的目标（1 A cm ⁻ ² ）的50%。

图1. 催化剂合成与表征。

图2. 催化剂的X 射线光谱表征。

图3. 催化剂催化HOR的机理研究。

图4. 最优 PtRu/pN-C 催化剂的电化学测试。

文献信息

Weiyan Ni, Josephine Lederballe Meibom et al .Synergistic interactions between PtRu catalyst and nitrogen-doped carbon support boost hydrogen oxidation. Nature Catalysis (2023).

https://doi.org/10.1038/s41929-023-01007-1

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