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碳基鉑納米顆粒(Pt-NPs/C)作為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）最先進的氧還原反應(ORR)催化劑，目前仍存在不理想的內(nèi)在活性、耐久性差和成本高的問題。

將鉑與第一排過渡金屬(TM= Co, Fe, Ni等)合金化，獲得獨特的幾何構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)，是目前同時解決上述問題的可行策略。Pt金屬間化合物(IMC)，而不是無序的PtM合金，已被證明通過強3d-5d軌道耦合沿晶體c方向顯著提高ORR固有活性和穩(wěn)定TM原子。

雖然已經(jīng)取得了巨大的進展，優(yōu)秀的ORR活性總是專門從旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)測量獲得，很少有效地轉(zhuǎn)化為膜電極組裝(MEA)結(jié)構(gòu)。因此，如何使PtM- IMC催化劑在燃料電池運行條件下獲得優(yōu)異的性能是一個迫切需要解決的關鍵問題。

與低負載(< 20 wt.%)的PtM-IMC/C催化劑相比，具有高效性能表達的高負載PtM-IMC/C催化劑被認為是PEMFC中最具實際應用前景的候選催化劑，主要基于以下方面：

1. 高金屬/碳比會使催化層(CL)變薄，加速傳質(zhì)，從而顯著降低電壓損失，特別是在高電流密度(>1.0 A cm^-2)下。

2. 高金屬比可能增加金屬活性位點和離聚物(如Nafion樹脂)的可及性，從而擴大三相反應界面，從而提高燃料電池性能。

3. 低碳可以降低工作環(huán)境(如高電位、強酸和高氧濃度)下碳腐蝕的風險，從而有效減緩納米顆粒(NPs)的Ostwald熟化，延長燃料電池的壽命。

遺憾的是，PtM-IMC結(jié)構(gòu)的形成通常涉及高溫退火，不可避免地導致了嚴重的IMC燒結(jié)，其NP尺寸約為8-10 nm，遠遠大于PtM合金或Pt/C，從而大大降低了Pt利用率和ORR活性。特別是對于高負載的PtM-IMC/C催化劑，高密度NPs極容易集聚成大型NPs，進一步增加了小尺寸PtM-IMC/C催化劑可控合成的難度。因此，需要創(chuàng)新的方法來簡單、高效地合成高負載、小尺寸的PtM-IMC/C催化劑，以便在PEMFC中實際應用。

最近，上海高等研究院楊輝研究員團隊在Energy Environ. Sci.上發(fā)表了最新成果，開發(fā)了一種新的高負載、小尺寸的催化劑合成策略。

在此，作者提出了一種氧化鈷輔助熱遷移策略，以確保從超細Pt納米晶到亞6 nm高負載(約44.7% wt.%)Pt₁Co₁金屬間化合物核殼結(jié)構(gòu)(Pt₁Co₁-IMC@Pt/C)的高效結(jié)構(gòu)演化。

具體來說，沉積的Co₃O₄不僅促進了Pt/Co原子間的相互擴散，因為原位形成了大量的氧空位，而且通過空間屏障效應阻止了NPs的燒結(jié)。

利用X射線吸收譜和DFT研究了Pt₁Co₁-IMC@Pt核殼結(jié)構(gòu)在調(diào)控Pt/Co原子的晶格收縮、d帶中心和抗氧化性方面的關鍵作用。Pt-Co原子的有序排列賦予表面Pt較低的d帶中心，并提高Pt/Co位點的抗氧化性，從而同時提高ORR活性和耐久性。DFT證實，O*/OH*中間體的吸附能力減弱，Pt/Co原子的抗氧化能力提高，分別是活性和耐久性提高的原因。

在旋轉(zhuǎn)圓盤電極測量中，優(yōu)化的催化劑固有ORR質(zhì)量活性高達0.53 A/mg_Pt（0.90 V vs RHE）。含有這種催化劑的PEMFC具有創(chuàng)紀錄的高功率密度（80°C時H₂-O₂/air條件下為2.30/1.23 W cm^-2）和非凡的穩(wěn)定性，在Pt基催化劑中，燃料電池性能最高。

值得注意的是，在燃料電池中，計算得到的在0.9 V下達到的電流0.46 A/mg_Pt，超過了2020年DOE目標（0.44 A/mg_Pt），非常接近本征值，這明確證實了高負載Pt₁Co₁-IMC@Pt/C在燃料電池條件下的活性表達中的優(yōu)越性。

本研究為未來高負載高性能燃料電池電催化劑的發(fā)展提供了理想的策略，為低鉑催化劑在未來PEMFCs的實際應用鋪平了一條新途徑。

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