在過(guò)去的幾十年里，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFCs)和磷酸燃料電池(PAFCs)已被開(kāi)發(fā)用于環(huán)保汽車和高效固定式發(fā)電廠，這是由于關(guān)鍵材料的開(kāi)發(fā)取得了顯著進(jìn)展，特別是用于慢氧還原反應(yīng)(ORR)的電催化劑。然而，活性位點(diǎn)與電解質(zhì)之間的界面技術(shù)問(wèn)題，仍然是PEMFCs和PAFCs面臨的挑戰(zhàn)。特別是，由于PAFCs直接使用高濃度磷酸溶液作為電解液，Pt基催化劑具有明顯的中毒效應(yīng)，ORR活性較低。因此，為了提高PAFCs的性能，有必要開(kāi)發(fā)一種具有高ORR活性和能抗中毒的新型催化劑。

基于此，韓國(guó)忠南大學(xué)Namgee Jung等人制備了可以作為分子篩層(MSL)的超薄碳?xì)ぐ黀t基納米顆粒組成的抗中毒催化劑。

為了直接探究不同缺陷密度的碳MSLs的分子篩效應(yīng)，測(cè)試了Pt@MSL催化劑在加入和不加入0.1 M H₃PO₄的0.1 M HClO₄溶液中的ORR性能。與在不含H₃PO₄的0.1 M HClO₄溶液中的測(cè)試結(jié)果相比，在含有H₃PO₄的HClO₄溶液中，商業(yè)Pt/C的ORR活性顯著降低，這主要是由于磷酸陰離子的強(qiáng)吸附導(dǎo)致活的性位點(diǎn)數(shù)量減少。然而，Pt@MSL催化劑的碳?xì)そY(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其電化學(xué)性能的有趣變化，隨著碳?xì)腜t@MSL7-0到Pt@MSL7-20變得更加多孔，無(wú)論是在加入或不加入0.1 M H₃PO₄的0.1 M HClO₄溶液中，催化劑的ORR活性都增加。

有趣的是，Pt@MSL7-10和Pt@MSL7-20催化劑在H₃PO₄和HClO₄混合溶液中表現(xiàn)出比商業(yè)Pt/C催化劑更優(yōu)異的性能，而在0.1 M HClO₄中表現(xiàn)出較低的活性。為了使兩種電解質(zhì)溶液中的催化劑的ORR性能最大化，利用制備Pt@MSL催化劑相同的退火溫度和氣體氣氛下制備了Pt₃Fe₁@MSL催化劑。

與Pt@MSL7催化劑相比，Pt₃Fe₁@MSL7催化劑表現(xiàn)出顯著改善的ORR性能，這是由于在有和沒(méi)有0.1 M H₃PO₄的0.1 M HClO₄溶液中的合金效應(yīng)。然而，Pt₃Fe₁@MSL7-20的質(zhì)量活性與Pt₃Fe₁@MSL7-10相比大大降低，這主要是由于分子篩效應(yīng)的顯著降低(21%)。結(jié)果表明，在制備的樣品中，由于附加的合金效應(yīng)和分子篩效應(yīng)，Pt₃Fe₁@MSL7-10催化劑在H₃PO₄混合電解質(zhì)中對(duì)ORR顯示出最高的質(zhì)量活性。

為了有效地防止磷酸鹽離子對(duì)催化劑的中毒效應(yīng)，同時(shí)提高催化劑的ORR活性和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了碳MSL包覆的Pt和Pt₃Fe₁催化劑。通過(guò)改變形成MSL的退火條件，在原子水平上對(duì)碳?xì)さ目捉Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的調(diào)節(jié)，以最大限度地減少磷酸陰離子吸附，并允許O₂分子優(yōu)先在Pt表面反應(yīng)。深入的電化學(xué)研究已經(jīng)明確地證明了碳?xì)さ姆肿雍Y效應(yīng)，適當(dāng)?shù)奶細(xì)た捉Y(jié)構(gòu)使得催化劑在電解質(zhì)中的ORR活性(高耐毒性)差異非常小，因?yàn)樗梢栽试SO₂分子對(duì)磷酸鹽離子的選擇性吸附。

此外，在長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性測(cè)試中，碳?xì)こ晒Φ刈柚沽私饘偌{米粒子的溶解，表明催化劑具有良好的穩(wěn)定性。因此，本文認(rèn)為碳?xì)ぐ膊呗詫楦咝阅躊AFCs的Pt基催化劑設(shè)計(jì)提供見(jiàn)解。

Antipoisoning Catalysts for the Selective Oxygen Reduction Reaction at the Interface Between Metal Nanoparticles and the Electrolyte, Carbon Energy, 2023, DOI: 10.1002/cey2.293.

https://doi.org/10.1002/cey2.293.