低溫聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池，如氫PEM燃料電池(PEMFCs)和直接甲醇燃料電池(DMFCs)，因其較高的能量密度和轉(zhuǎn)換效率，被廣泛認(rèn)為是下一代能量轉(zhuǎn)換器件。然而，陰極氧還原反應(yīng)(ORR)和陽極甲醇氧化反應(yīng)(MOR)由于多種反應(yīng)物或中間體的轉(zhuǎn)化而表現(xiàn)出相當(dāng)慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。Pt電催化劑是ORR和MOR的常用催化劑，但是Pt不斷上漲的價(jià)格和有限的可用性限制了其的大規(guī)模使用。因此，設(shè)計(jì)含過渡金屬的Pt合金是降低Pt含量和提高Pt催化劑電催化活性的一種有前景的策略。

基于此，華南理工大學(xué)廖世軍等人提出了一種制備高性能復(fù)合催化劑的簡便方法，該復(fù)合催化劑包括Pt-Co金屬間納米粒子(IMN)和Co，N共摻雜碳(Co-N-C)電催化劑。

根據(jù)所有催化劑的極化曲線可以發(fā)現(xiàn)，fct-PtCo@Co-N-C催化劑表現(xiàn)出更好的ORR活性，表現(xiàn)出更正的半波電位(E_1/2，0.95 V)，其中fct-PtCo/C，Co-N-C和商業(yè)Pt/C的E_1/2分別為0.93，0.75和0.87 V。雖然fcc-PtCo/C的初始E_1/2為0.93 V，但在0.75 V的循環(huán)伏安(CV)曲線中可以觀察到明顯的Co氧化峰，隨著CV循環(huán)的增加，Co氧化峰逐漸消失。這證實(shí)了PtCo合金納米粒子中Co的連續(xù)溶解或存在不穩(wěn)定的、無序的fcc-PtCo納米粒子。

此外，結(jié)構(gòu)的快速變化導(dǎo)致fcc-PtCo/C的半波電位在50個(gè)CV循環(huán)后衰減約30 mV。之后，本文根據(jù)極化曲線還得到了催化劑的Tafel斜率，可以用于研究催化劑的ORR動(dòng)力學(xué)。與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動(dòng)力學(xué)。

值得注意的是，fct-PtCo@Co-N-C在0.95 V時(shí)的質(zhì)量活性為0.44 A mg_Pt^-1，是fct-PtCo/C和Pt/C(分別為0.20和0.03 A mg_Pt^-1)的1.7倍和11.3倍。在0.9 V時(shí)，fct-PtCo@Co-N-C的質(zhì)量活性為1.96 A mg_Pt^-1，是fct-PtCo/C和Pt/C的2.06和12.25倍(分別為0.95和0.16 A mg_Pt^-1)。

更重要的是，對于MOR，在相同的催化劑負(fù)載下，盡管PtCo基催化劑中的Pt含量僅為Pt/C催化劑的60%，但PtCo基催化劑的電流密度顯著增加。在峰值電流密度下，fct-PtCo@Co-N-C的質(zhì)量活性為2.92 A mg_Pt^-1，分別是fct-PtCo/C和商業(yè)Pt/C的1.45和3.28倍(分別為2.02和0.89 A mg_Pt^-1)。總之，本文制備的fct-PtCo@Co-N-C催化劑表現(xiàn)出更高的ORR和MOR活性。

根據(jù)以上研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本研究成功地設(shè)計(jì)并制備了一種高效穩(wěn)定的復(fù)合電催化劑。該催化劑由有序的PtCo金屬間核和Pt-skin殼組成，Co-N-C層有效地控制了粒徑，從而使得催化劑具有優(yōu)異的催化活性，這些結(jié)果也是PtCo IMN和Co-N-C之間的協(xié)同作用的結(jié)果。此外，由于包覆碳層阻止了PtCo IMN的溶解、Oswald成熟、轉(zhuǎn)化和聚集，因此催化劑獲得了良好的催化劑穩(wěn)定性。

令人滿意的是，制備的fct-PtCo@Co-N-C催化劑在酸性介質(zhì)中對ORR和MOR表現(xiàn)出良好的電催化活性和穩(wěn)定性。綜上所述，本研究為Pt基合金催化劑的活性增強(qiáng)和穩(wěn)定性能提供了新的途徑。這些結(jié)果可以推廣到其他體系，如鈀基或釕基合金，以加速其在電化學(xué)反應(yīng)中的實(shí)際應(yīng)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.