吴宇恩/周煌ACS Catalysis：质量活性高达1.26 A mgPt−1！分级多孔Pt/ZrO2用于高效催化ORR

电催化剂的性能在很大程度上取决于其微观结构的设计和活性中心的调节，并且活性中心的位置往往决定其在实际催化过程中的活性。举例来说，在质子交换膜燃料电池(PEMFCs)所涉及的氧还原反应(ORR)中，反应物、中间体和产物在活性中心上的吸收和解吸往往受到催化剂的特定表面积和三维(3D)纳米结构的限制；并且在商业的Pt/C系统中，不仅要增加Pt和载体之间的相互作用以调节Pt的d带电子以提高活性和稳定性，而且要引入宏观的3D结构以进一步促进催化反应中的物质运输。

基于此，中国科学技术大学吴宇恩和周煌等通过对含Pt纳米粒子的NC包覆多孔氧化锆(ZrO₂)骨架进行复杂的工程设计，开发了一种分层多孔ORR催化剂(Pt-Zr FW@NC)。

电化学性能测试实验结果表明，所制备的Pt-Zr FW@NC具有优异的ORR性能，其在0.1 M HClO₄溶液中的半波电位(E_1/2)为0.931 V；并且Pt-Zr FW@NC在0.9 V_RHE电位下的质量活性为1.26 A mg_Pt⁻¹，分别是Pt-ZrO₂@NC(0.16 A mg_Pt⁻¹)和商用Pt/C(0.28 A mg_Pt⁻¹)的7.9和4.5倍。

此外，Pt-Zr FW@NC显示出出色的稳定性，在30000个循环后仅有10 mV的E_1/2衰减，而商业Pt/C仅在5000个循环后就表现出35 mV衰减，并显示出严重的形态聚集；Pt纳米粒子的耐久性提高主要是由于ZrO₂对纳米粒子的保护作用，这有效地抑制了Pt纳米粒子的聚集和解离。

实验结果和理论计算表明，Pt和ZrO₂之间的相互作用和电子性质的调制是导致活性增强的主要原因；层状多孔结构的大比表面积增加了气体-电解质-铂颗粒之间的三相界面，ZrO₂纳米FW固有的大孔确保了高产量，同时降低了液体的扩散阻力；同时，通过精确调整ZrO₂纳米FW的腐蚀程度以构建合适的中孔，可以大大促进反应物向催化活性中心的扩散和选择性输运，从而缩短与氧相关物种的扩散距离；此外，原位封装的表面碳层以网状结构连接催化系统的组件，提供足够的电导率，并进一步抑制组件在长期运行期间的降解。

还有就是，富电子环境和由N掺杂产生的附加活性位点对整体ORR活性增强具有辅助作用。总的来说，该项工作中所提出集成层次多孔系统，同时优化几何和电子结构的铂基催化剂有助于推动PEMFC的进一步发展。

Hierarchical Porous Pt/ZrO₂ Nanoframework for Efficient Oxygen Reduction Reaction. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c00080

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吴宇恩/周煌ACS Catalysis：质量活性高达1.26 A mgPt−1！分级多孔Pt/ZrO2用于高效催化ORR

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