质子交换膜燃料电池（PEMFCs）恶劣的工作环境对Pt基合金催化剂的稳定性提出了巨大挑战。具有显著离域电子分布的金属键的广泛存在通常导致成分偏析和性能快速衰减。 华中科技大学李箐教授课题组报道了L10-Pt2CuGa金属间纳米颗粒作为高性能PEMFC正极催化剂，在Pt-Ga之间具有独特的共价原子相互作用。L10-Pt2CuGa/C催化剂在燃料电池正极中表现出优异的氧还原反应（ORR）活性和稳定性（0.9 V时的质量活性=0.57 A mgPt-1，H2-O2/空气中的峰值功率密度=2.60/1.24 W cm-2，30000次循环后0.8 A cm-2时的28 mV电压损失）。理论计算揭示了氧中间体通过在L10-Pt2CuGa表面形成的双轴应变的优化吸附，并且耐久性的增强源于Pt-Ga共价相互作用产生的比L1-PtCu中更强的Pt-M键。相关工作以“Inducing Covalent Atomic Interaction
in Intermetallic Pt Alloy Nanocatalysts for High-Performance Fuel Cells”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。
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研究要点
要点1. 作者首次证明在金属间L10-Pt2CuGa NPs中，通过p-d轨道杂交诱导定向强共价原子相互作用、显著提高L10-Pt2CuGa NPs的催化性能。Ga引入PtCu中诱导了Pt和Ga之间定向共价原子相互作用的形成以及PtCu的L11到L10相变，从而减少了L11-PtCu中的过量沉积。 要点2. PEMFC测试表明，L10-Pt2CuGa/C催化剂在燃料电池中表现出0.57 A mgPt-1（在0.9 V下）的优异质量活性（MA），分别比商业Pt/C和L11-PtCu/C的质量活性高约5.2倍和3倍。同时在H2-O2/空气条件下实现了2.60/1.24 W cm-2的异常峰值功率密度，这代表了已报道的Pt基正极中最好的性能之一。此外，L10-Pt2CuGa/C催化剂表现出极高的耐久性（在30000次潜在循环后超过DOE 2025目标）。 要点3. 密度泛函理论（DFT）计算表明，由定向Pt-Ga键诱导的双轴应变增强了ORR活性的氧结合能，并且强的Pt-Ga共价键相互作用（L10-Pt2CuGa中的Pt-Ga相互作用比Pt-Pt强1.6倍）有助于增加表面Pt的空位形成能，以抑制表面Pt原子的溶解，从而实现PEMFC的长期耐久性。 该工作强调了一种可行的策略，通过调节金属键的相互作用来提高金属间Pt-M催化剂的ORR性能，该策略可应用于广泛的电化学能量转换技术。
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研究图文
图1. L10-Pt2CuGa/C样品的合成与结构表征。
图2.通过RDE评估ORR活性和稳定性。
图3.PEMFC测量。
图4.XAS分析活性起源。
图5.结构稳定性的DFT计算。
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文献详情
Inducing Covalent Atomic Interaction in
Intermetallic Pt Alloy Nanocatalysts for High-Performance Fuel Cells Xuan
Liu, Zhonglong Zhao, Jiashun Liang, Shenzhou Li, Gang Lu, Cameron Priest,
Tanyuan Wang, Jiantao Han, Gang Wu, Xiaoming Wang, Yunhui Huang, Qing Li*Angew.
Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202302134
