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多相催化研究：PtRu催化剂与氮掺杂碳载体的协同促进HOR！

来源：时间：2023-09-14 14:15:41 浏览：437次

第一作者：Weiyan Ni

通讯作者：胡喜乐教授、William E. Mustain

通讯单位：瑞士洛桑联邦理工学院，美国南卡罗来纳大学

DOI: 10.1038/s41929-023-01007-1

研究背景

氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）是一种具有潜在经济效益的能源转换技术。目前最先进的HEMFCs需要高负载量的铂族金属（PGM）催化剂，特别是用于氢氧化反应（HOR）。然而，高成本限制了其进一步发展。PGMs与其他金属（Fe、Co、Ni和Mo等）合金化或掺杂，或沉积在氧化物表面以产生强的金属-支撑相互作用，很少材料在质量活度和本征活性方面优于基准PtRu合金。此外，界面水已被确定为影响HOR/HER动力学的重要因素，但水-催化剂的界面相互作用在很大程度上是非共价的，不能被催化剂的电子结构所调节。基于此，瑞士洛桑联邦理工学院胡喜乐教授和美国南卡罗来纳大学William E. Mustain等人发现了一种多孔氮掺杂碳（pN-C）作为PGM基HOR催化剂的优良载体。对比碳黑负载的催化剂，PGM/ pN-C催化剂具有更高的HOR活性。

文章要点

要点1：本文开发了一种多组分协同的PtRu/多孔氮掺杂碳催化剂(Pt_0.25Ru_0.75/pN-C)作为活性HOR催化剂碱性介质，比以前的基准PtRu/C高出两倍以上。

要点2：实验表征结果揭示了pN-C载体的多重作用。Pt单原子（SAs）在含Pt催化剂中创造了良好的界面水结构。优化后的多孔氮掺杂碳负载型PtRu HOR催化剂（PtRu/pN-C）在碱性条件下具有较高的本征活性和质量活性。

要点3：低负载量PtRu/pN-C HOR催化剂在使用较低的PGM负载和零背压的情况下，比美国能源部（DOE）2022年的目标（1 A cm^-2）高出50%。

图文展示

图1.催化剂合成与表征

图2.催化剂的X射线光谱表征

图3. HOR机理研究

图4.最优PtRu/pN-C催化剂的电化学测试

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