大化所揭示燃料电池铂基氧还原反应电催化剂的协同机制
近日，我所醇类燃料电池及复合电能源研究中心（DNL0305组）孙公权研究员和王素力研究员团队在高稳定性铂基氧还原反应电催化剂研究方面取得新进展。该团队报道了一种具有超高稳定性的核壳结构铂铑合金（PtRh/Pt）氧还原反应电催化剂，结合密度泛函理论（DFT）计算与AC-STEM、电化学等表征手段，揭示了该铂铑合金电催化剂的核壳结构的协同稳定机制。
氧还原反应的动力学速率较慢，在反应中需要使用大量铂基电催化剂。然而，铂基电催化剂的成本高、稳定性差，导致质子交换膜燃料电池难以大规模商业化应用。近二十年来，研究人员通过构建优势晶面和改变表面铂原子电子结构，开发出了高活性铂基合金（PtM）以减少铂用量。然而，这些合金电催化剂仍面临耐久性不足的问题，其在工况下金属组分发生溶解导致晶面破坏，以及由于表面铂原子电子结构的改变，从而导致质量活性急速衰减。因此，设计一种金属组分（包括Pt以及M）在工况下，均具有高度抗溶解性的超稳定铂基电催化剂仍具有挑战性。
本工作中，该团队通过油胺法制备出铂铑合金电催化剂，并通过组分—结构稳定性分析和DFT计算，发现铂铑合金在1万次加速耐久性测试循环过程中，可通过“自愈合”效应形成理想的铂壳层，该表层铂原子的溶解能高于纯铂。此外，研究还发现铑原子偏析能明显高于其它核壳结构中的钴和镍，这种铂铑合金核壳间的“协同效应”也同时有效地抑制了铂（Pt）和铑（Rh）的溶解，从而在长达9万次的加速耐久性测试循环后，其半波电位仅负移约5mV、质量活性仍保持88%。该铂铑合金催化剂的稳定性远高于商品铂炭催化剂，是迄今为止报道的耐久性最高的氧还原反应铂基电催化剂之一。该研究为设计高稳定Pt基氧还原反应电催化剂提供了重要思路。
相关研究成果以“Structural Evolution of a PtRh Nanodendrite Electrocatalyst and Its Ultrahigh Durability toward Oxygen Reduction Reaction”为题，发表在ACS Catalysis上。该工作的第一作者是我所DNL0305组博士研究生安召。该研究得到国家自然科学基金重大研究计划集成等项目的资助。（文/图 安召）
文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.1c05462
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