成果简介
设计和合成高耐久性和高活性的电催化剂对于改善质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的氢进化反应（HER）和氧还原反应（ORR）至关重要。本文，哈尔滨工业大学（深圳）邱华军 副教授、李锴锴 副教授等在《Nanoscale Horiz》期刊发表名为“Bubbling resilient 3D free-standing nanoporous graphene with an encapsulated multicomponent nano-alloy for enhanced electrocatalysis”的论文，研究提出了一种新型的去合金化纳米多孔铂铜镍钴锰多组分合金，这种合金的韧带/孔隙范围在 2-3 纳米之间，并被原位封装在三维、独立的纳米多孔管状石墨烯网络中，其孔隙/管直径在 200 到 300 纳米之间。这种方法可以精确控制贵金属负载量和合金成分，同时防止贵金属在整个制备过程中流失。
创新的双峰纳米多孔石墨烯/合金结构，加上开放的三维海绵状形态，以及通过多组分相互作用优化的表面铂电子结构，显著提高了 HER/ORR 的活性，优于商用 Pt/C。此外，这种设计还解决了 Pt/C 型催化剂通常存在的铂纳米粒子聚集和脱离碳载体的问题，从而大大提高了催化持久性，即使在高强度气体鼓泡条件下也是如此。
图文导读
图1 、(a) 双峰纳米多孔石墨烯/合金复合材料的合成过程示意图。(b) 前驱体合金、脱合金后、CVD 生长石墨烯后以及用 HNO3 去除模板（NG/PtMnNiCuCo）后的 XRD 图。(c) 不同阶段制备的样品的拉曼光谱。
图2 、(a) NG/PtMnNiCuCo 的平面扫描电镜图像和照片（(a) 中的插图）、(b) TEM 图像、(c) HRTEM 图像、(d)-(f) HAADF-STEM 图像、(g) SAED 图样和 (h) STEM-EDS 图。
图3、 (a) ORR 极化曲线。(b) NG/PtMnNiCuCo在不同电位下的K-L图，插图显示了不同转速下的 LSV 曲线。(c) NG/PtMnNiCuCo和商用 Pt/C 催化剂的 Tafel 图和 Jk。(d) NG/PtMnNiCuCo和Pt/C在0.85和0.9V下 ORR 的质量活性和 (e) 比活性。(f) 10 k 周期前后 NG/PtMnNiCuCo 的 ORR 极化曲线。
图4、 (a) HER 极化曲线和（插图）Tafel 图。(b) 20 和 30 mV 电压下 NG/PtMnNiCuCo 和 Pt/C 的质量活性。(c) NG/PtMnNiCuCo 和 Pt/C（插图）在 5 k 周期前后的极化曲线。(d) 海水中的 LSV 曲线。(e) NG/PtMnNiCuCo 和 Pt/C 在海水中 200 和 300 mV 的质量活度。(f) 长期 HER 耐久性测试。
图5. (a) Pt 和 PtMnNiCuCo 的结构，(b) 电荷密度分布，(c) 投射态密度，(d) Pt 和 PtMnNiCuCo 的 d 带中心。铂和铂锰镍铜钴上 (e) ORR 和 (f) HER 的自由能图。
小结
总之，通过有效地绕过 Pt/C 型支撑催化剂中常见的铂氮氧化物聚集和脱离碳支撑的问题，即使在强气泡条件下，具有封装设计的独立式复合材料也能显著提高催化耐久性。此外，多组分合金设计大大优化了铂的电子结构，从而提高了 ORR 和 HER 的固有催化活性。这项工作为设计/构建用于水分离和燃料电池的下一代多组分封装催化剂提供了一种前景广阔的方法。
文献：https://doi.org/10.1039/D4NH00190G
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