燃料电池金属间Pt-M合金氧还原催化剂的设计原理及合成方法  

Design principle and synthetic approach of intermetallic Pt-M alloy oxygen reduction catalysts for fuel cells

作　　者：刘轩 梁嘉顺 李箐 Xuan Liu;Jiashun Liang;Qing Li(State Key Laboratory of Material Processing and Die&Mould Technology,School of Materials Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei,China)

机构地区：[1]华中科技大学材料科学与工程学院,材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2023年第2期17-26,共10页催化学报（英文）

基　　金：国家自然科学基金(22122202,21972051).

摘　　要：开发用于氧还原反应(ORR)的高性能Pt-M(M=过渡金属)金属间合金催化剂是实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)大规模应用的关键.因此迫切需要明确设计和制备具有高ORR活性和稳定性的金属间Pt-M催化剂的一般规则.本文首先概述了无序-有序相变的热力学和动力学基本原理,然后介绍了本课题组在合成L10有序结构的Pt-M金属间纳米晶(iNC)方面的研究结果,进一步阐述了提高L10-Pt-M燃料电池ORR催化剂的活性和稳定性的有效策略.关于铂基金属间纳米晶的合成,本课题组基于高温相变扩散动力学发展了空位介导原子扩散的方法用于合成全有序铂基金属间纳米晶.铂基金属间纳米晶通常是通过高温退火制得,但该过程中原子的快速扩散会加剧奥斯特瓦尔德熟化和材料烧结,进而导致催化剂活性下降.对纳米晶进行包覆或者限域虽然能够在一定程度上降低高温退火过程中的颗粒团聚,但是原子扩散受限也导致难以获得完全有序的纳米晶.空位扩散是金属纳米晶有序转变过程中的主要扩散过程,可以在退火前驱体中构建Pt/MO_(x)界面.本课题组发展了空位介导原子扩散促进铂基合金有序化的方法,制得了一系列用于ORR反应的超细Pt-M(M=Fe,Co,Ni,Zn等)金属间纳米晶催化剂,实现了铂基金属间纳米晶的高效制备.关于铂基金属间纳米晶催化剂的活性调控,本课题组基于应变效应的调控策略开发了多种具有高氧还原活性的铂基金属间纳米晶催化剂.根据理论预测的铂表面最佳氧物种吸附能,通过掺杂钨原子调控表面应变,有效削弱了L1_(0)-PtCo纳米晶表面的过度应变,制得的催化剂表现出良好的催化活性.此外,介绍了双轴应变介导的高活性L1_(0)-PtZn/Pt-C催化剂,独特的表面应变模式使其在氧还原反应中表现出较好的催化活性,并在燃料电池器件中表现出较好的质量活性与功率密度.关于铂基金属间纳米�Developing high-performance Pt-M(M=transition metal)intermetallic alloy catalysts for oxygen reduction reaction(ORR)are key to achieving large-scale applications of proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs).It is urgent to clarify the general rules to design and prepare intermetallic Pt-M catalysts with high ORR activity and stability.In this account,the basic principles for disorder-order phase transition in terms of thermodynamics and kinetics are first introduced and our recent efforts in synthesizing fully-ordered Pt-M intermetallic nanocrystals(i NCs)with well-defined L10-ordering structures are described.Then the effective strategies for further enhancing the activity and stability of L10-Pt-M ORR catalysts for PEMFCs are exemplified.We hope that this account will provide some significant insights into the research and development of intermetallic Pt-M alloy ORR catalysts for the applications of PEMFCs and other electrochemical energy conversion technologies in the future.

关 键 词：燃料电池 氧还原反应 铂基合金 金属间化合物 L10有序结构 

分 类 号：O643.36[理学—物理化学] TM911.4[理学—化学]