燃料电池由于其在发电过程中的高效和环保特性，在燃料电池汽车 (FCV) 生产中越来越受欢迎，例如汽车、叉车、公共汽车和飞机。然而，生产燃料电池催化剂的成本高昂，阻碍了燃料电池汽车的大规模生产和大规模应用。
燃料电池催化剂通常由铂(Pt) 或 Pt 合金制成，过渡金属薄薄地涂覆在多孔碳载体上。铂是一种理想的催化材料，因为它可以承受酸性条件并有效提高化学反应速率。但价格昂贵，资源储备不足。因此，开发和筛选具有低铂量和高催化活性的新型催化剂用于燃料电池商业化势在必行。
在10 月 22 日发表的一篇科学论文中，中国科学院(CAS)中国科学技术大学(USTC)的研究人员报道了一种高温硫锚定方法，成功合成了小尺寸 Pt 金属间化合物具有超低 Pt 负载和高质量活性的纳米颗粒 (i-NP) 催化剂。他们还建立了 i-NP 库，包括 46 种类型的 Pt 纳米粒子 (NPs)，以筛选廉价耐用的电极材料，并系统地探索 i-NPs 的构效关系。
I-NPs因其独特的原子有序性质和在许多化学反应中的优异催化性能而受到广泛关注。然而，在 i-NPs 的合成过程中，不可避免的金属在高温下烧结是不希望的，因为它会导致更大的微晶。从而导致材料的比表面积降低和催化活性降低，最终降低铂的利用率，从而大大增加燃料电池的成本。
由梁海伟领导的研究团队巧妙地利用了强大的铂硫化学相互作用。他们在掺硫碳 (SC) 载体上制备了 Pt 金属间化合物，以抑制 NPs 在高温下烧结，并且他们能够获得平均尺寸 <5 nm 的原子有序 i-NPs。SC 载体表现出优异的抗烧结能力，研究人员在高达 1000 C 的高温下退火后获得了平均直径仍然小于 5 nm 的 Pt NPs。然而，在商业炭黑载体上的相同退火过程后观察到严重的 Pt 烧结。
为了利用抗烧结特性，研究人员在 SC 载体上合成了 46 种小型 Pt 基 i-NP，并建立了 i-NP 库。测量了光谱表征，结果证实了 Pt-S 键的强化学相互作用。此外，X射线衍射(XRD)结果表明库中i-NP催化剂的有序度高且尺寸小，与高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)的统计分析一致观察。
“基于 i-NP 库，我们可以系统地研究催化剂的结构和性能之间的关系，”梁说，“充足的样本帮助我们筛选出预计将大大降低燃料电池成本的高效催化剂。”研究人员筛选了 i-NP 并将其应用于质子交换膜燃料电池 (PEMFC)。这些催化剂对氧还原反应(ORR)表现出优异的电催化性能。特别是在 H2-空气 PEMFC 中，虽然 i-NPs 的 Pt 负载量比 Pt/C 阴极低 11.5 倍，但 i-NP 催化剂的阴极表现出与 Pt/C 阴极相似的能力。
这项工作为合成用于氢燃料电池的铂合金催化剂提供了一种通用的方法。这种方法为减少 Pt 的使用量，从而降低燃料电池的成本带来了希望。“通过设计碳载体的多孔结构和表面功能，可以进一步提高燃料电池的效率，从而加速它们从实验室向公众的转移，”梁说。
