赵紫鹏教授与UCLA教授实现超低铂载量燃料电池重要突破

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近日，Nature Nanotechnology上发表了一篇题为“Graphene-nanopocket-encaged PtCo nanocatalysts for highly durable fuel cell operation under demanding ultralow-Pt-loading conditions”的研究成果。该工作主要由北京理工大学赵紫鹏教授、加州大学洛杉矶分校（UCLA）黄昱教授等研究人员共同完成。
           该成果报道了一种由石墨烯纳米袋保护的PtCo纳米催化剂并应用于质子交换膜燃料电池作为阴极催化剂，由此实现在极具挑战性的超低铂载量条件下燃料电池功率密度及耐久性同时达到国际先进水平，预期应用此报道催化剂可将燃料电池汽车所需铂族金属（PGM）量降至与内燃机汽车尾气处理所需相当的水平，这意味着大幅降低燃料电池所需铂族金属量，在规模化生产时显著降低成本，并使其大规模应用不再受限于铂族金属极有限的储量与产量，为进一步推进燃料电池大规模应用铺垫了道路。本文所报道的工作将是质子交换膜燃料电池大规模推广的关键一步，为该领域重要突破。
         质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为可替代内燃机的绿色动力装置理论上可不依赖含碳化石能源，因此PEMFCs的发展与应用对实现国家“碳达峰”“碳中和”的发展目标有重大的意义。对于目前商用的PEMFCs来说，铂族金属是不可替代的催化剂材料，尤其是用来加速阴极缓慢的氧还原反应（ORR）。铂族金属同样被内燃机汽车所需要并用于尾气催化处理。目前汽车工业需求占全球近一半的铂族金属产量，而目前燃料电池汽车所需的铂族金属5-10倍于内燃机汽车，以目前的燃料电池铂族金属需求量，燃料电池汽车替代内燃机汽车势必导致铂族金属供不应求，而由于全球铂族金属的储量与产量皆极其有限，这对燃料电池的规模化应用是极大的阻碍。此外，依据美国能源部估算，燃料电池规模化生产后铂族金属将是主要的成本（占总成本约40%）。因此，在不影响性能的情况下减少商用燃料电池的铂族金属用量对燃料电池的规模化应用至关重要，也有助于早日实现“碳中和”发展目标。然而在此前的应用场景中，铂族金属负载量的降低往往带来燃料电池装置性能的牺牲以及稳定性差的问题，这促使全球范围的科研工作者竞相开发催化活性更高同时也更稳定的催化剂，以实现将燃料电池汽车铂族金属需求量降至内燃机汽车水平。
         作者设计和合成了一种由石墨烯纳米口袋保护的超细小PtCo纳米催化剂（图1）。通过这种设计，将超细小的纳米催化剂保护在石墨烯纳米口袋中在确保电化学活性的同时，还可以限制催化剂的聚集，并且缓解了催化剂的氧化溶解、Ostwald熟化过程。即使在十分苛刻的超低PGM负载的情况下，这种特殊的结构依旧可以确保优异的活性及卓越的稳定性。应用所得催化剂于燃料电池膜电极（MEA），作为阴极催化剂的综合性能为兼顾质量活性与稳定性的最好催化剂之一（图2）。应用PtCo@Gnp的膜电极的质量归一化额定功率可达13.2 W∙mgPGM-1，并且耐久性达到国际先进水平（图3），有望将一辆90 kW燃料电池汽车所需的铂族金属大幅降低至6.8克左右，接近内燃机汽车所需的铂族金属用量水平。对比商业Pt/C及c-PtCo/C催化剂，PtCo@Gnp优异的稳定性主要源于其对纳米催化剂颗粒尺寸的保持（图4）。

图1. 保护性纳米口袋设计示意图和PtCo@Gnp表征。

图2. Pt/C，c-PtCo/C和PtCo@Gnp催化剂的MEA性能和文献中具有代表性的催化剂对比。

图3. 氢气/空气环境下测试的超低PGM负载量（阴极和阳极总量为0.07 mgPGM cm-2）下的MEA极化曲线。

图4 加速老化测试后催化剂表征，粒径分布分析和相应的MEA测试结果。

        文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01170-9
        论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-022-01170-9


         附作者简介：
         赵紫鹏，北京理工大学材料学院教授，博士生导师，长期从事氢能相关催化研究，包含电解水装置及燃料电池。研究维度涉及新型催化剂创制，宏量制备，并应用于膜电极与电堆，累计发表论文50+篇，总引用11000+次，曾获加州大学洛杉矶分校博士后研究校长奖。
        文章来源：北京理工大学