質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)被認(rèn)為一種可靠和有效的清潔能量轉(zhuǎn)換裝置。為了提高質(zhì)子交換膜燃料電池的性能，須使用貴金屬鉑(Pt)作為催化劑，以加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的陽(yáng)極氫氧化反應(yīng)(HOR)速度較快，只需要少量的Pt，而陰極氧還原反應(yīng)(ORR)速度較慢，需要較多的Pt才能獲得理想的性能。由于Pt的儲(chǔ)量稀少和高昂的成本，PEMFC的成本顯著增加，從而阻礙了其商業(yè)化。因此，開(kāi)發(fā)超低Pt負(fù)載的陰極催化劑并實(shí)現(xiàn)Pt的有效利用和提高催化劑持久穩(wěn)定性對(duì)于推動(dòng)PEMFC實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

近日，廈門(mén)大學(xué)孫世剛、姜艷霞和重慶大學(xué)張斌偉等采用氣相沉積法制備了超低Pt負(fù)載量(0.64 wt%)的FeN₄-PtFe合金復(fù)合電催化劑(PtFe-FeNC)。其中，F(xiàn)eNC載體上的FeN₄位點(diǎn)能夠有效地錨定PtFe合金，從而抑制其在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中的聚集。反過(guò)來(lái)，這些PtFe合金可以有效地抑制FeNC載體中FeN₄位點(diǎn)的浸出。

因此，PtFe-FeNC在0.9 V下對(duì)ORR反應(yīng)表現(xiàn)出改善的Pt質(zhì)量活性(2.33 A mg_Pt^-1)，比商業(yè)Pt/C (0.18 A mg_Pt^-1)高12.9倍。同時(shí)，PtFe-FeNC催化劑還表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)70000次循環(huán)后，Pt的質(zhì)量活性僅下降9.4%。

研究人員進(jìn)一步將PtFe-FeNC裝入到膜電極組體的陰極中，其在0.9 V(無(wú)iR補(bǔ)償)時(shí)的質(zhì)量活性為1.75 A mg_Pt^-1，遠(yuǎn)高于商業(yè)MEA (0.25 A mg_Pt^-1)；此外，這種PtFe-FeNC催化劑在H₂-O₂質(zhì)子交換膜燃料電池中表現(xiàn)出增強(qiáng)的穩(wěn)定性，在30000g個(gè)循環(huán)后峰值功率密度(P_max)為0.391 W cm^-2，僅發(fā)生12.5%的P_max衰減。

總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了PtFe合金與FeN₄中心之間電子耦合的重要性，為提高應(yīng)用于燃料電池的Fe/N/C催化劑的耐久性提供了一種有效的途徑。

FeN₄ active sites electronically coupled with PtFe alloys for ultralow Pt loading hybrid electrocatalysts in proton exchange membrane fuel cells. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c08570