北大燃料电池新型低铂催化剂获新进展

质子交换膜燃料电池的商业应用受到阴极缓慢的氧还原动力学的限制。目前，提高氧还原催化活性的最有效策略是通过将过渡金属M（M=Fe、Co、Ni、Cu等）与贵金属Pt合金化来优化催化剂与含氧物种之间的结合能，从而提高氧还原的催化活性。最近的研究表明，与表面催化剂相比，界面催化剂可以提供另一种提高氧还原催化活性的有效途径。然而，如何设计具有新的界面增强机制的高效界面催化剂仍然是一个巨大的挑战。过渡金属碳化物由于其高导电性和导热性、优异的机械强度、硬度、化学稳定性和耐腐蚀性，近年来引起了人们的广泛关注。通过结合PtM和过渡金属碳化物来制造新的界面催化剂仍然是一个巨大的挑战。为了解决这些问题，北京大学理工学院的郭少军团队设计并开发了一种新型哑铃形PtFe-Fe2C纳米颗粒。这种哑铃形PtFe-Fe2C纳米颗粒是通过碳化哑铃形PtFe-Fe3O4纳米颗粒获得的（图1a）。电化学测试表明，该催化剂在酸性介质中的氧还原比活性和质量活性分别达到3.53mAcm2和1.50Mg1，分别是商用Pt/C的11.8和7.1倍，具有优异的电化学稳定性，5000次循环后催化剂的活性几乎没有下降。研究团队进一步计算发现，这种独特的结构具有新颖的无势垒界面电子传输机制，更有利于电催化反应，从而提高电催化活性（图1b）。这种无势垒界面电子传输机制也可以扩展到其他电催化系统，如电催化析氢反应和过氧化氢的电催化还原。催化剂在酸性介质中析氢的比活性达到28.2mAcm2，分别是商用Pt/C的2.9倍。基于该催化剂的过氧化氢电化学传感器的检测极限达到2nM。这项工作对电催化的理论研究和新型高效燃料电池电催化剂的开发具有指导意义，也为下一代高性能、低成本电催化剂的结构设计提供了新思路。

图1.a）合成示意图；B） PtFe-Fe3O4纳米粒子；C） PtFe-Fe2C纳米颗粒；

D） DFT计算这项工作由北京大学理工学院的郭少军团队完成。本文的通讯作者是郭少军，博士后赖建平和香港理工大学的黄伯龙博士是第一作者。该项目得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划和千人计划的资助。质子交换膜燃料电池的商业应用受到阴极缓慢的氧还原动力学的限制。目前，提高氧还原催化活性的最有效策略是通过将过渡金属M（M=Fe、Co、Ni、Cu等）与贵金属Pt合金化来优化催化剂与含氧物种之间的结合能，从而提高氧还原的催化活性。最近的研究表明，与表面催化剂相比，界面催化剂可以提供另一种提高氧还原催化活性的有效途径。然而，如何设计具有新的界面增强机制的高效界面催化剂仍然是一个巨大的挑战。过渡金属碳化物由于其高导电性和导热性、优异的机械强度、硬度、化学稳定性和耐腐蚀性，近年来引起了人们的广泛关注。通过结合PtM和过渡金属碳化物来制造新的界面催化剂仍然是一个巨大的挑战。为了解决这些问题，北京大学理工学院的郭少军团队设计并开发了一种新型哑铃形PtFe-Fe2C纳米颗粒。这种哑铃形PtFe-Fe2C纳米颗粒是通过碳化哑铃形PtFe-Fe3O4纳米颗粒获得的（图1a）。电化学测试表明，该催化剂在酸性介质中的氧还原比活性和质量活性分别达到3.53mAcm2和1.50Mg1，分别是商用Pt/C的11.8和7.1倍，具有优异的电化学稳定性，5000次循环后催化剂的活性几乎没有下降。研究团队进一步计算发现，这种独特的结构具有新颖的无势垒界面电子传输机制，更有利于电催化反应，从而提高电催化活性（图1b）。这种无势垒界面电子传输机制也可以扩展到其他电催化系统，如电催化析氢反应和过氧化氢的电催化还原。催化剂在酸性介质中析氢的比活性达到28.2mAcm2，分别是商用Pt/C的2.9倍。基于该催化剂的过氧化氢电化学传感器的检测极限达到2nM。这项工作对电催化的理论研究和新型高效燃料电池电催化剂的开发具有指导意义，也为下一代高性能、低成本电催化剂的结构设计提供了新思路。

图1.a）合成示意图；B） PtFe-Fe3O4纳米粒子；C） PtFe-Fe2C纳米颗粒；D） DFT计算这项工作由北京大学理工学院的郭少军团队完成。本文的通讯作者是郭少军，博士后赖建平和香港理工大学的黄伯龙博士是第一作者。该项目得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划和千人计划的资助。

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