AM: 通过原子层沉积将应变 Pt 催化剂直接集成到质子交换膜燃料电池中

雨辰

2021-06-11

随着燃料电池开始成为主要的清洁和可持续能源转换技术之一，氧还原反应 (ORR) 的催化剂得到了广泛的研究。在提高 Pt 基催化剂内在催化活性的各种策略中，应变工程已显示出通过改变 Pt 的原子间距来调整表面反应性的前景。引入表面应变的一种常用方法是将Pt与过渡金属合金化。在具有高ORR活性的Pt合金催化剂上实现了多种纳米结构，包括纳米颗粒、纳米线、纳米框架、和纳米笼。除了化学诱导的合金整体应变外，局部结构应变也已被证明可用于增强 ORR 活性。由 Pt 壳和 Pt-M 合金核组成的核壳催化剂已成为有前途的候选者，其中微调壳尺寸和核组成可以进一步优化活性。

有鉴于此，斯坦福大学Fritz B.Prinz教授和Shicheng Xu等人，报道了通过从原子层沉积合成的铂壳中去除可溶性核来设计和制造晶格应变铂催化剂。

本文要点

1）利用ALD的逐层沉积，制备了以Pt为壳层、可溶性金属氧化物为核的核-壳结构。在溶解 ALD 氧化物核后，能够将应变直接引入 Pt 催化剂并研究催化活性的相关增强。

2）在半电池和全电池结构中，氧还原反应(ORR)的显著催化性能归因于观察到的晶格应变。通过进一步优化纳米粒子的几何结构和离聚物/碳的相互作用，在膜电极组件中可以实现接近 0.8 A mg_Pt^-1 @ 0.9 V iR-free 的质量活性。

3）然而，具有高ORR活性的活性催化剂并不一定会导致高电流密度(HCD)区域的高性能。为实现高功率密度氢燃料电池，应更多地关注HCD性能。

参考文献：

Shicheng Xu et al. Direct Integration of Strained-Pt Catalysts into Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells with Atomic Layer Deposition. Advanced Materials, 2021.

DOI: 10.1002/adma.202007885

https://doi.org/10.1002/adma.202007885