《Nature》子刊：合成方法相当，性能提高四倍的催化剂

质子交换膜（PEM）燃料电池是高效的清洁能源转换装置，它需要高活性催化剂才能在阴极处进行氧还原反应（ORR）。铂族金属（PGM）具有最高的ORR活性，目前被大规模用作PEM燃料电池中的阴极催化剂。在大规模生产中，它们约占PEM燃料电池总成本的一半，而高昂的成本使它们无法大规模应用。因此，对于质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的氧还原反应而言，开发不含铂族金属（PGM）并且具有高活性和耐久性的催化剂是一个巨大的挑战。近日，来自纽约州立大学Xiaohong Xie的等人在《Nature Catalysis》报告了一种原子分散的Co和N共掺杂碳（Co–N–C）催化剂，其催化氧还原反应活性与用类似方法合成的Fe–N–C催化剂相当，但耐用性是后者的四倍。另外，Co-N-C催化剂在1.0 bar的H2/ O2气体压力以及0.9V的开路电压的条件下测得的电流密度为0.022A cm-2、峰值功率密度为0.64 W cm-2。本文确定了金属（M）–N-C催化剂的两种主要降解机理：自由基对催化剂的氧化作用和活性位的脱离金属作用。Co–N–C相对于Fe–N–C的耐久性的提升主要是由于Co离子在Fenton反应中的活性较低。Fenton反应从主要的氧还原反应副产物H2O2产生自由基，并且显着增强了Co–N–C的脱离金属的能力。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41929-020-00546-1

 

 

 

 

 

图1 |原子分散的Co–N–C催化剂的合成与表征示意图

 

 

图2 | Co–N–C催化剂的结构表征示意图

 

 

图3| RRDE和PEM燃料电池性能测量示意图

 

 

图4 |在RRDE和MEA上研究了催化剂的耐久性示意图

 

 

图5 |对降级机制的基本理解示意图

结语：

本文通过采用两步封装和配体交换方法将CoN4部分固定和围在ZIF-8微孔中从而合成了一种高性能原子分散的Co–NC（1.0）催化剂。这种方法显着提高了CoNx位点的密度，从而提高了催化ORR活性。Co–NC（1.0）催化剂在开路电压0.9V的条件下达到了0.022 A cm-2的高电流密度，在开路电压0.87V的情况下达到了0.044 A cm-2的高电流密度（仅比美国相关部门的目标低30 mV）。H2 / O2 PEM燃料电池测试的能量（DOE）和峰值功率密度为0.64 W cm-2，这是非Fe M–N–C ORR催化剂报道的具有最高活性催化剂。Co–NC（1.0）中的ORR活性位点主要位于碳的内部，更重要的是，与类似合成的Fe–NC（1.0）催化剂相比，本文的Co–NC（1.0）催化剂具有显着增强的耐久性。（文：SSC）