【儀表網 研發快訊】構筑高活性質子交換膜燃料電池陰極氧還原催化劑并降低貴金屬鉑(Pt)的用量，一直是納米催化劑材料領域研究的難點和熱點。碳基過渡金屬單原子催化劑(M-N-C)具有元素利用率高、本征活性強以及成本低、儲量相對豐富的優勢，在電催化氧還原反應過程中展現出獨特的優勢和廣闊的應用前景。現階段，M-N-C作為獨立催化劑，在強腐蝕、高電位環境下的活性和穩定性尚不能滿足燃料電池實際應用的指標需求。而已有研究證實M-N-C作為貴金屬催化劑載體可與Pt等金屬產生協同催化效果，表現出良好的助催化劑效果。雖然M-N-C作為載體和助催化劑傳質效果突出、綜合活性良好，但現有工藝手段想制備出結構單一、物相純凈的高載量M-N-C催化劑載體仍面臨著挑戰，這主要是由于常規熱解方法等合成策略處理碳氮前驅體構筑M-N-C過程中不可避免的發生金屬元素聚集、氮揮發以及配位結構不穩定等現象，導致簡易構筑碳載鉑基催化劑頗具挑戰性。注冊儀表網，馬上發布/獲取信息
 

　　為了實現利用具有非單原子結構如金屬團簇、顆粒和納米氧化物同時存在的碳基載體構筑性能優良、穩定性突出的氧還原催化劑，中國科學院青島能源所研究員梁漢璞帶領的能源材料與納米催化研究組，在生物質衍生Fe-N-C，金屬框架聚合物形貌結構調整以及碳載鉑基合金納米催化劑材料合成工作的基礎上，設計開發了一步簡易有效的原位合金化策略，利用多巴胺衍生的同時具有Fe-Nx、Fe顆粒和FeyOx分布的碳基雜化結構為基底與鉑鹽在一定條件下完成三種鐵源向PtFe合金的有效轉變(圖1)。
 

　　研究表明，在三相溶液中通過合適的絡合鹽選擇可以合成具有鐵均勻摻雜的介孔聚多巴胺前驅體，經過后期簡易碳化處理可以實現小于10nm介孔的均勻分布，且具有豐富單原子Fe和少量的Fe顆粒、氧化物存在，在不經過酸洗的情況下直接作為基底與鉑鹽復合，經過熱處理可以獲得物相純凈的介孔Fe-N-C負載的PtFe合金納米催化劑(圖2)。
 

　　合成的介孔Fe-N-C負載PtFe催化劑在酸性環境下半波電位達到0.925 V vs. RHE，質量活性達到497.5 mA mgPt-1，表現出顯著優于商業在售Pt/C (162 mA mgPt-1)的性能和活性(圖3)。本研究的試驗設計思路和成果可為更好利用過渡金屬單原子基催化劑載體構筑鉑基氧還原催化劑提供了新的研究思路。
 

　　相關研究成果發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。研究工作得到山東省自然科學基金面上項目、青島創業創新領軍人才基金、大連化物所-青島能源所兩所融合項目基金以及中國科學院潔凈能源創新研究院合作基金的支持。該研究由中國科學院高能物理研究所與青島能源所合作完成。
 

　　圖1. 介孔Fe-N-C載體合成并通過原位合金化構筑PtFe/Fe-N-C催化劑
 

圖2. 原位合金化合成PtFe/Fe-N-C催化劑氧還原催化活性評價