2nm 的Pt催化剂实现对氧还原的高效催化活性和稳定性

铂是催化氧还原反应（ORR）活性最可行的催化剂，是质子交换膜燃料电池中的关键材料，占据了质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆高达41%的成本比例。近年来许多的工作是关于如何提高铂基催化剂的ORR催化活性和耐久性，以及降低材料的成本问题。提高铂基催化剂的催化活性的方法之一是降低铂基催化剂的颗粒尺寸来增加其电化学表面积，实现铂基催化剂的ORR催化活性。但是催化剂的粒径越小越容易形成团聚现象，且催化剂在长期的工作中容易由于其与碳载体弱的物理吸附作用而从碳载体上脱落等，这些问题对催化剂的活性和稳定性有严重的影响。

针对以上问题，美国佐治亚理工学院的夏幼南教授课题组报道了一种尺寸分布均匀，有较强金属-载体相互作用的碳负载2nm的铂粒子催化剂。其实验方法是先将平均直径为50.2 ± 2.8 nm的非晶态Se纳米球均匀的负载在商业化的碳载体表面上；然后将负载Se纳米球的碳载体在氩气保护条件下退火处理2h，从而使Se能够均匀的扩散到整个碳载体表面上；最后以覆盖于碳载体表面上的Se作为还原剂，通过电置换反应，使得2nm的铂纳米粒子原位生长在碳载体上。在这个实验方法中，剩余的未参与电置换反应的硒能够使Pt纳米粒子通过Pt-Se-C链强有力的固定在碳载体上，起到连接碳载体和铂纳米颗粒的桥梁作用，提高金属-载体的相互作用力，成功避免了铂纳米颗粒在长期工作中出现的团聚现象和其从碳载体脱落的现象，有效的提高了催化剂的稳定性。即使在20000次循环的加速耐久性测试（ADT）之后，2nm的Pt颗粒仍然均匀地分散在碳载体上，并仍展现出相比于商用铂碳催化剂高三倍的质量比活性。该工作为制备高活性、高稳定性的铂碳催化剂提供了一种可行的思路。

原文连接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01221

（陈圳杰）