DOI: 10.1002/adfm.202006771
用最少的Pt將O2迅速轉化為H2O對于PEM燃料電池（PEMFCs）的廣泛應用至關重要。因此，迫切需要開發一種催化劑管理方法來避免不必要的催化劑損失，同時提高Pt的利用率、催化活性和耐久性。在此，研究者通過靜電紡絲法制備了一種自支撐納米纖維電極。這種薄膜型催化劑同時包含Pt-Co合金納米顆粒和嵌入由電紡沸石咪唑酯骨架衍生的N摻雜石墨化碳（Co-Nx）載體中的Co。值得注意的是，柔性電極可直接轉移至高溫PEMFC的膜電極組件中。此外，計算模型研究表明，Pt-Co和Co-Nx之間存在協同作用，因此電極表現出優異的性能。與基于墨水的傳統催化劑涂覆方法相比，此方法簡化了電池裝置的制備和操作，Pt損失可忽略不計。
圖1.PC@PFN的示意圖。a，b）前體在滾筒上旋轉形成纖維墊。c）在對墊子進行第一次熱處理后，ZIF組分坍塌并形成金屬Co納米顆粒（活化），同時形成支撐。在最后的合成步驟中，d）添加K2PtCl4，用Co進行電置換產生合金納米顆粒，然后進行e）第二次熱處理并f）在0.5M HCl中酸洗。
圖2.PC@PFN的形態。a，b）PC@PFN的SEM和c，d）TEM圖像（（b）插圖中的黃色虛線圓圈顯示ZIF粒子表面上的孔）。e）STEM-EDS映射圖像中Pt和Co的元素分布。白色虛線表示圖S8“支持信息”中顯示的Pt和Co的EDS線掃描。f）HAADF-STEM圖像和無納米粒子的區域（紅色虛線正方形）。g）在（f）區域中獲取的EELS光譜（插圖顯示Pt的EELS光譜，表明PFN區域中不存在Pt）。
圖3.PC@PFN的電子結構。a）Pt/C、PFN和PC@PFN的XRD圖譜。黑色、藍色和紅色垂直線分別表示Pt/C（PDF＃04-0802）、純Co（PDF＃89-4307）和Pt3Co（PDF＃29-0499）反射的峰值位置。b）Pt 4f，c）Co 2p和d）N 1s的XPS光譜。
圖4.電化學性能結果。a）室溫下，在Ar飽和的0.1M HClO4溶液中PC@PFN和Pt/C的循環伏安圖（掃描速率：50 mV s-1）。顯示了AST之前（實線）和之后（虛線）的伏安圖。AST條件為在O2凈化的0.1M HClO4中，在0.6-1.0V（vsRHE）下，以100 mV s-1進行10000個循環。b）室溫下，以1600rpm的電極轉速，在O2飽和的0.1M HClO4溶液中記錄的PC@PFN和Pt/C的ORR極化曲線。c）根據兩種催化劑的初始質量和ECSA，AST之前和之后的質量活度（MA）和比活性（SA）。所有電極上的鉑負載量為12.7 μg cm-2。在d）H2-O2和e）H2-空氣流下，單電池在160℃下的燃料電池性能，顯示為J-V極化和功率密度圖。f）PC@PFN在H2-空氣下以0.2 A cm-2進行耐久性測試的結果。PC@PFN和Pt/C的Pt負載量分別為0.55和0.60 mgPt cm-2，兩種情況下陽極的Pt負載量均為1.3 mgPt cm-2。
圖5.Pt3Co NPs與原子分散Co-N4界面ORR機制的計算研究。a）計算的游離Co-N4（藍色）和Co-N4（與Pt3Co表面相距6?（紅色））上的ORR途徑的自由能。b）在浸漬有Co-N4的石墨化載體上生長的Pt3Co NP的結構。c）Co-N4/6?/Pt3Co的雙壁結構以及OH在*OOH中從原始狀態位移的遷移路徑。d）在游離Co-N4（黑色）、Pt3Co/6?/Co-N4（紅色）和Pt3Co/7?/Co-N4（紫色）下計算得出的OH遷移勢壘與ΔdO-O的關系。
圖6.PC@PFN中的ORR機制。a）反應中間體（即游離Co-N4上的H2O2）的兩次e-/H+轉移，然后b）另外兩次e-/H+轉移至遷移的H2O2，以在Pt3Co表面生成H2O。c）在Pt3Co表面上直接四次e-/H+轉移H2O。d）在Pt3Co NPs（Co-N4//Pt3Co）附近的Co-N4上直接四次e-/H+轉移。
微信二維碼
