在此，提出了一種空間限域方法制備小尺寸、高穩定性CoPt納米合金催化劑的策略。該制備策略分為兩個步驟，首先，在ZIF-67前驅體顆粒表面包裹SiO
2殼層，使ZIF-67熱解過程中，Co原子的遷移受到SiO
2殼層的抑制，從而縮小了Co納米顆粒的粒徑。隨后，基于上述Co納米顆粒碳載體，在吸附-退火制備CoPt合金過程中，Co納米顆粒表面原位形成的石墨烯殼層進一步抑制納米金屬顆粒的聚結，形成了小尺寸CoPt納米合金（平均直徑為2.61 nm）。在0.1 M HClO
4溶液中的RDE測試結果表明，在0.9 V vs RHE條件下，CoPt納米合金催化劑的質量活性達到681.8 mA mgPt
-1。此外，基于CoPt納米合金的PEMFC的最大功率密度分別達到2.22 W cm
-2 (H
2/O
2)和0.923 W cm
-2 (H2/air)。PEMFC的穩定性測試是在80°C，50% R.H.條件下進行的。在100至500 mA cm
-2之間超過100小時（每個電流保持1小時）的脈沖測試結果表明，這種小尺寸CoPt納米合金催化劑所制備的膜電極的電壓基本保持不變，展現了較好的電化學穩定性。本工作旨在為PtM納米合金催化劑的合成提供一種新的策略，為面向PEMFC的低Pt含量、高本征活性和穩定性的催化劑設計提供參考。
Fig 1. a) ZIF-67 衍生的 CoPt 納米合金催化劑的制造過程示意圖。b) CoZ-60Pt催化劑邊緣和相應晶格條紋的高分辨率TEM圖像。比例尺代表 1 nm。c) Pt和Co元素的STEM元素映射和相應的元素比。
Fig 2. （a）CoZ-60Pt催化劑退火前的HR-TEM圖和元素線掃圖，（b）CoZ-60Pt催化劑退火后的HR-TEM圖和元素線掃圖，（c）CoZ-60Pt催化劑粒徑統計圖，（d）沒有石墨烯殼層保護的Pt基催化劑的粒徑統計圖。
Fig 3. CoPt催化劑退火前后的（a）XRD和（b）XPS圖，（c）不同催化劑的LSV曲線，（d）不同Pt基金屬表面對氧氣分子的吸附示意圖，（e）小尺寸CoPt納米合金制備流程示意圖。
Fig 4. a) 氮氣吸附-脫附等溫線和相應的 b) 孔徑分布曲線，c) XRD 模式，和 d) 具有不同 Pt 負載的不同催化劑的 XPS 測量光譜。e) Pt 4f 的高分辨率 XPS 光譜和相應的解卷積曲線。f) CoZ-10Pt 中 Co 和 Pt 元素的 STEM-EDS 元素映射。g) CoZ-10Pt 的 HAADF-STEM 圖像。虛線圓圈表示單個金屬原子。
Fig 5. ORR a) CV、b) LSV (1600 rpm) 曲線和相應的 c) Tafel 圖顯示為使用 RDE 幾何面積歸一化的動電流密度 (
jk )。d) 在 1600 rpm 下通過 RDE 測試，不同催化劑在 0.8 V 與 RHE 的 EIS 曲線。e) CoZ-60Pt 催化劑在 0.1 M HClO
4中的電子轉移數和 H
2O
2產率在 0.20-0.95 V 范圍內相對于 RHE。f) CoZ-60Pt催化劑在0、1000、2000、3000次循環伏安掃描后的LSV曲線。
Fig 6. a) ORR LSV 曲線和相應的 b) Tafel 圖以動態電流密度 (
jk )形式給出，通過 RDE 在 1600 rpm 下對Pt 進行歸一化。CoZ-60Pt 的 PEMFC 測試在 80℃下具有不同背壓的 c) H
2-O
2和 d) H
2-空氣。e) CoZ-60Pt-0.2 mg Pt cm
-2在 80℃和 50% 相對濕度下的穩定性曲線。
相關研究工作由天津大學Junfeng Zhang和Yan Yin課題組于2023年共同發表在《ADVANCED SCIENCE》期刊上，原文：Space Confinement to Regulate Ultrafine CoPt Nanoalloy for Reliable Oxygen Reduction Reaction Catalyst in PEMFC。
轉自《石墨烯研究》公眾號
