用于氧还原反应的Pt基金属间化合物纳米晶催化剂

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种具有大规模商业化生产前景的能源技术,它具有能量密度高、转换效率高、环境友好等优点,受到人们的广泛关注.其中,燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)具有较高的反应过电位,需要贵金属铂催化,但是铂的成本高昂、资源短缺,极大地限制了燃料电池的市场化,因此降低铂负载量,提高铂基催化剂的活性和稳定性,是燃料电池商用化的关键.目前,通过合金化、形貌控制等方法优化后,铂基催化剂的质量活性和比活性都得到了极大的提高.其中,将铂与其他金属尤其是3d过渡金属合金化已被认为是减少铂负载量并提高ORR催化性能的最有效方法之一.通过合理设计并精准制备铂基合金、调控铂表面电子结构可以大大提高催化剂的本征活性以及耐久性.但是,普通合金化制备的合金一般是无序的,存在活性位点结构不同,过渡金属溶解导致稳定下降等问题,将其有序化形成金属间化合物可有效解决上述问题.金属间化合物具有长程有序的晶体结构,原子均有序地占据晶格中的相应格点,以金属键或离子键相互作用,能够有效提高活性位点催化活性和防止过渡金属的溶解.此外,金属间化合物通过压缩应变调控Pt–Pt键长,优化铂与氧还原反应中间物种的吸附能,提高本征催化活性和稳定性.本文综述了PEMFCs电催化剂的铂基金属间化合物的最新研究进展,分别从热力学和动力学上理解金属间化合物形成的过程与条件,为设计金属间化合物奠定理论基础;从成分、尺寸和形貌等方面分别阐述了近年来铂基金属间化合物的发展,不仅关注铂基催化剂在的三电极体系下的优异性能,而且对其在质子交换膜燃料电池的实际应用时的性能表达进行了详细的阐述,总结了一些提升金属间化合物性能的策略;同时,针对目前的发展瓶颈,总结了Pt基有序金属间纳米晶面临的挑战和未来前景.本文可以帮助读者更深入地了解铂基金属间化合物纳米晶在ORR领域的最新进展,对铂基金属间化合物催化剂的合理设计和催化性能改进策略提出更深入的见解,为促进PEMFC的市场化发展提供一条新思路.