廖世军Small：超薄Co-N-C层修饰Pt-Co金属间纳米粒子实现高效氧还原和甲醇氧化反应

低温聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，如氢PEM燃料电池(PEMFCs)和直接甲醇燃料电池(DMFCs)，因其较高的能量密度和转换效率，被广泛认为是下一代能量转换器件。然而，阴极氧还原反应(ORR)和阳极甲醇氧化反应(MOR)由于多种反应物或中间体的转化而表现出相当慢的反应动力学。Pt电催化剂是ORR和MOR的常用催化剂，但是Pt不断上涨的价格和有限的可用性限制了其的大规模使用。因此，设计含过渡金属的Pt合金是降低Pt含量和提高Pt催化剂电催化活性的一种有前景的策略。

基于此， 华南理工大学廖世军等人 提出了一种制备高性能复合催化剂的简便方法，该复合催化剂包括Pt-Co金属间纳米粒子(IMN)和Co，N共掺杂碳(Co-N-C)电催化剂。

根据所有催化剂的极化曲线可以发现，fct-PtCo@Co-N-C催化剂表现出更好的ORR活性，表现出更正的半波电位(E _1/2 ，0.95 V)，其中fct-PtCo/C，Co-N-C和商业Pt/C的E _1/2 分别为0.93，0.75和0.87 V。虽然fcc-PtCo/C的初始E _1/2 为0.93 V，但在0.75 V的循环伏安(CV)曲线中可以观察到明显的Co氧化峰，随着CV循环的增加，Co氧化峰逐渐消失。这证实了PtCo合金纳米粒子中Co的连续溶解或存在不稳定的、无序的fcc-PtCo纳米粒子。

此外，结构的快速变化导致fcc-PtCo/C的半波电位在50个CV循环后衰减约30 mV。之后，本文根据极化曲线还得到了催化剂的Tafel斜率，可以用于研究催化剂的ORR动力学。与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动力学。值得注意的是，fct-PtCo@Co-N-C在0.95 V时的质量活性为0.44 A mg _Pt ^-1 ，是fct-PtCo/C和Pt/C(分别为0.20和0.03 A mg _Pt ^-1 )的1.7倍和11.3倍。在0.9 V时，fct-PtCo@Co-N-C的质量活性为1.96 A mg _Pt ^-1 ，是fct-PtCo/C和Pt/C的2.06和12.25倍(分别为0.95和0.16 A mg _Pt ^-1 )。

更重要的是，对于MOR，在相同的催化剂负载下，尽管PtCo基催化剂中的Pt含量仅为Pt/C催化剂的60%，但PtCo基催化剂的电流密度显著增加。在峰值电流密度下，fct-PtCo@Co-N-C的质量活性为2.92 A mg _Pt ^-1 ，分别是fct-PtCo/C和商业Pt/C的1.45和3.28倍(分别为2.02和0.89 A mg _Pt ^-1 )。总之，本文制备的fct-PtCo@Co-N-C催化剂表现出更高的ORR和MOR活性。

根据以上研究结果可以发现，本研究成功地设计并制备了一种高效稳定的复合电催化剂。该催化剂由有序的PtCo金属间核和Pt-skin壳组成，Co-N-C层有效地控制了粒径，从而使得催化剂具有优异的催化活性，这些结果也是PtCo IMN和Co-N-C之间的协同作用的结果。此外，由于包覆碳层阻止了PtCo IMN的溶解、Oswald成熟、转化和聚集，因此催化剂获得了良好的催化剂稳定性。

令人满意的是，制备的fct-PtCo@Co-N-C催化剂在酸性介质中对ORR和MOR表现出良好的电催化活性和稳定性。综上所述，本研究为Pt基合金催化剂的活性增强和稳定性能提供了新的途径。这些结果可以推广到其他体系，如钯基或钌基合金，以加速其在电化学反应中的实际应用。

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.

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