用于质子交换膜燃料电池的Pt基电催化剂的高昂成本和非贵金属电催化剂的较差耐久性限制了其实际应用。在这里，通过气相沉积策略成功地制备了与PtFe合金电子耦合的FeN4活性位点（PtFe-FeNC）作为超低Pt负载量（0.64wt%）的混合电催化剂。FeNC基体上的FeN₄位点能够有效地锚定PtFe合金，从而在长寿命循环过程中抑制其聚集。这些PtFe合金反过来可以有效地抑制FeN4位点从FeNC基体中浸出。因此，PtFe-FeNC在0.9 V下对氧还原反应的Pt质量活性提高了2.33 A mgPt^–1，比商业Pt/C（0.18 A mgPt^-1）高12.9倍。它表现出极大的稳定性，在70000次循环后，Pt的质量活性仅下降9.4%。重要的是，阴极中具有超低Pt负载量（0.012 mgPt cm^–2）的燃料电池在不含0.9 ViR的情况下显示出1.75 a mgPt^–1的高Pt质量活性，这明显优于商业MEA（0.25 a mgPt^-1）。有趣的是，PtFe-FeNC催化剂具有增强的耐久性，与FeNC降低51.7%相比，峰值功率密度降低12.5%。

 
图1. PtFe-FeNC催化剂的结构表征。（a和b）PtFe-FeNC催化剂的TEM图像（a）和HAADF-STEM图像（b）。（c） 单个小纳米颗粒的AC-HAADF-STEM图像。（d和e）PtFe-FeNC、FeNC、Pt-NC、Fe箔、FePc、Fe₂O₃、Fe₃O₄和Pt箔的X射线吸收近边缘结构光谱的比较：Pt L₃边缘（d）和Fe-K边缘（e）。

 
图2. PtFe-FeNC催化剂在RDE中的电催化活性和稳定性评价。（a） （底部）在O₂饱和的0.1 M HClO₄中，以10 mV s^–1和900 rpm的速率记录的ORR极化曲线。（顶部）H₂O₂产量。（b） FeNC、Pt-NC、PtFe-FeNC和JM20%Pt/c在0.9V（相对于RHE）下的Tafel曲线和（c）MA。（d–f）FeNC（d）、Pt/C（e）和PtFe-FeNC（f）30k后的ORR极化曲线。（g–i）FeNC（g）在0.8 V（vs RHE）时的对应jk和Pt-NC（h）和PtFe-FeNC（i）在0.9 V（vs RHE）下的对应MA。

 
图3. PtFe-FeNC催化剂的组成表征。（a） FeNC、Pt NC、PtFe FeNC的XPS Pt 4f精细光谱、（b）XPS Fe 2p精细光谱和（c）XPS N 1s精细光谱，以及 .（d和e）FeNC、Pt-NC、PtFe-FeNC的傅立叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）光谱的比较，ptfe-fenc@70k，Fe箔、FePc和Pt箔：Pt L₃边缘（d）和Fe K边缘（e）。（f） R空间中相应的Fe K边EXAFS拟合分析。（g） 在23 K下测得的FeNC和PtFe-FeNC的⁵⁷Fe穆斯堡尔谱。（h） PtFe-FeNC的HS-LEIS光谱。（i） Pt/C强度比随溅射时间的变化。

 
图4. ASTs后PtFe-FeNC的结构特征。（a） 不同循环下的归一化CO汽提曲线。（b） 峰值1和峰值2在不同周期的对应峰值电流。（c） AC-HAADF-STEM图像PtFe-FeNC@70k具有沿着[111]区轴的模拟STEM图像和原子模型（白色和黄色球体分别表示Pt和Fe）。（d） AST后FeNC和PtFe-FeNC的归一化Fe含量。（e） FeNC和PtFe-FeNC每循环的FeN₄损失率。

 
图5. PEMFC活性和耐久性评估。（a） 在绝对1bar O₂压力下记录的H₂-O₂燃料电池i–V极化（实心符号和线）和粉末密度（空心符号和线。（b） 源自燃料电池测量的阴极MA图。绿色星号表示美国能源部2020年的目标。（c） H₂空气燃料电池在1bar空气压力下的性能。（d–f）30000次电压循环后的H₂空气燃料电池i–V极化和功率密度。（g） Pmax损失和（h）30000次电压循环后0.8 A cm^–2的电压损失。（i） H₂-1%O₂/N₂燃料电池i–V极化在1%O₂/N₂压力的绝对1bar下。
 
     相关研究成果由重庆大学Binwei Zhang、厦门大学Yan-Xia Jiang和Shi-Gang Sun等人2023年发表在ACS Nano (翻译：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08570)上。原文：FeN4 Active Sites Electronically Coupled with PtFe Alloys for Ultralow Pt Loading Hybrid Electrocatalysts in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

转自《石墨烯研究》公众号