黄昱/段镶锋，最新Nature Nanotechnology！

2022年7月26日Nature Nanotechnology在线发表了美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授在燃料电池领域的最新成果“Graphene-nanopocket-encaged PtCo nanocatalysts for highly durable fuel cell operation under demanding ultralow-Pt-loading conditions”。其中，美国加州大学洛杉矶分校为第一通讯单位，段镶锋教授作为本文作者之一，这也是黄昱/段镶锋夫妇联手在燃料电池领域一篇具有里程碑的文章，实现了在超低Pt负载条件下超高耐用的燃料电池，从而为进一步在新能源汽车中的应用和节能减排迈出了重要的一步！

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种有吸引力的清洁能源，有望在实现碳中和的过程中发挥举足轻重的作用，但PEMFC的广泛使用的前提是大幅减少昂贵的铂族贵金属（PGM）催化剂的使用。铂（Pt）族金属是目前商业化PEMFC 不可或缺的催化剂材料，尤其是用于加速缓慢的阴极氧还原反应。但PGM的高成本和有限的储备是广泛应用PEMFC的最关键障碍。为了更广泛地应用PEMFC，非常希望减少PGM的使用，这促使全世界努力开发更具活性和更耐用的催化剂。

由于几个内在的权衡因素，在超低PGM负载下的实际PEMFC中同时实现研究目标具有根本性的挑战。为了减轻由减少PGM负载引起的限制，可以减小催化剂尺寸以形成超细纳米催化剂，从而产生高电化学表面积。然而，具有高表面体积比的超细纳米颗粒在热力学上不太稳定，易于通过物理聚结或Ostwald熟化过程导致尺寸大幅增长，从而导致电化学表面积逐渐减少，最终产生较差的耐用性。

因此，希望将MEA中的PGM负载降低到超低水平，这加剧了保持长期运行耐久性的挑战。特别是，在较低的PGM负载下维持相同的功率密度（或电流密度）意味着给定催化位点上的更高周转频率，这需要更快的氧气输送和水去除，这可能会加速溶解的Pt原子的扩散和Ostwald熟化过程，从而进一步加剧了 PEMFC循环过程中的催化剂降解。

在此，美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授和段镶锋教授等人设计了一种石墨烯纳米袋包覆的铂钴（PtCo@Gnp）纳米催化剂，该催化剂凭借石墨烯纳米袋的非接触外壳，在超低PGM负载（0.070 mg_PGM cm^-2）下展现出优异的电化学可及性和出色的耐久性。通过这种设计，将超细催化剂包裹在非接触式石墨烯纳米袋中不仅可以实现电化学可及性，还可以限制催化剂聚结并延缓氧化溶解、扩散和Ostwald熟化过程。

同时，PtCo@Gnp提供了1.21 A mg_PGM^-1的最优异的质量活度，13.2 W mg_PGM^-1的额定功率和经过加速耐久性试验后，质量活性保留率为73%。此外，随着额定功率和耐用性的大幅提高，展现了一个PGM负载为6.8g的90 kW PEMFC车辆，其接近典型催化转化中使用的负载。凭借在超低PGM负载下的高额定功率和高耐用性，PtCo@Gnp可以将90 kW 燃料电池汽车所需的PGM大幅降低至6.8 g左右，其接近典型催化转化中使用的负载。众所周知，系统成本和耐用性是广泛采用PEMFC的两个最关键的障碍。本文的研究正好解决了这些关键挑战，标志着朝着大幅减少PGM负载迈出了关键一步，同时在实际燃料电池中保持了非凡的耐用性，以便更广泛地采用。

图1. 纳米袋设计和PtCo@Gnp结构的表征

图2. Pt/C、c-PtCo/C和PtCo@Gnp与文献中的代表性催化剂进行比较

图3. 在H₂/空气下测试的具有超低PGM负载的MEA的极化图

图4. EOL催化剂的表征、尺寸分布分析和相应的MEA测试结果

Zhao, Z., Liu, Z., Zhang, A. et al. Graphene-nanopocket-encaged PtCo nanocatalysts for highly durable fuel cell operation under demanding ultralow-Pt-loading conditions. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01170-9

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黄昱/段镶锋，最新Nature Nanotechnology！

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