江苏大学等《EES》：新型燃料电池技术领域取得突破性进展！

催化剂载体在均匀分散金属纳米颗粒，提高催化剂利用率以及提供独特的金属-载体相互作用以提高内在活性方面起着至关重要的作用。低温直接氨燃料电池（DAFC）使用碳中性氨作为燃料，由于使用氨能源具有成本低、易于运输和存储以及广泛的可用性，近来引起人们越来越多的关注。然而，当前的DAFC技术受到阳极处动力学迟缓的氨氧化反应（AOR）的极大限制。

江苏大学、美国纽约州立大学布法罗分校、美国特拉华大学和美国佛吉尼亚理工大学合作，在新型燃料电池技术领域取得突破性进展。报道了一种AOR催化剂，其中平均尺寸为2.3的三元PtIrZn纳米颗粒高度分散在二元复合载体上，该载体包括氧化铈（CeO₂）和沸石咪唑盐骨架-8（ZIF-8）衍生出来的的碳（PtIrZn / CeO₂-ZIF-8）。相关论文发表在Energy & Environmental Science。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D0EE03351K

该复合载体通过声化学辅助合成方法制成。PtIrZn合金借助CeO₂提供的丰富OH_ad和多孔ZIF-8碳贡献的均匀颗粒分散性，显示出在碱性介质中对AOR的高效催化活性，并且优于商业用的PtIr / C。旋转圆盘电极（RDE）的结果表明，相对于室温下的可逆氢电极，其起始电势较低（0.35对0.43 V），而活化能（~36.7 vs. 50.8 kJ/mol）则相对较低。值得注意的是，PtIrZn / CeO₂-ZIF-8催化剂与高性能氢氧根阴离子交换膜组装在一起以制备碱性DAFC的峰值功率密度可以达到91 mW/cm²。与水性电解质不同，载体在改善均匀的离聚物分布和阳极中的质量传输方面起着至关重要的作用。另一方面，本文进一步研究了在二氧化硅（SiO₂）上与羧基官能化碳纳米管（CNT-COOH）集成的PtIrZn纳米颗粒作为DAFC中的阳极的情况，其峰值功率密度的显着提高到314 mW/cm²。

图1.合成CeO2和ZIF-8负载的三元PtIrZn纳米粒子的示意图。

图2 .PtIrZn₂ / CeO₂-ZIF8催化剂的形态、结构和组成（Pt / Ir / Zn的摩尔比为1：1：0.6）。

图3 .XRD示意图

图4.在环境条件下，在5 mV/s和900 rpm的Ar饱和1.0 M KOH + 0.1 M NH₃中不同催化剂的CV曲线

图5.（a）在不同温度下在Ar饱和的1.0 MKOH + 0.1 M NH₃中记录的PtIrZn₂ / CeO₂-ZIF-8催化剂在5 mV/s 和900 rpm下的CV曲线。

图6.（a）Pt₂Ir₂上的NH₃氧化及其与Zn的三元合金相对于RHE的自由能图。（b）Pt₂Ir₂及其与锌的合金上纯净、* NH₂和* NH中间体的几何结构。

图7.（a）DAFC的组件和工作原理示意图

总之，受理论理解的启发，设计并合成了负载在DAFC中用于AOR的各种复合载体上的PtIrZn三元合金催化剂。特别是，定义明确的PtIrZn合金纳米颗粒可以均匀地分散在由CeO₂和ZIF-8衍生的由碳组成的复合载体上，其平均直径为2.3 nm。原则上，CeO₂可以充当路易斯碱，并提供OH^-来促进AOR。ZIF-8衍生的碳中的高表面积，主要孔隙率和N掺杂剂可能有利于在合成过程中生成细合金纳米颗粒。CeO₂和ZIF-8碳的结合可以丰富CeO₂-Pt合金的界面，从而增强AOR活性。同样，进一步使用了SiO₂-CNT-COOH复合载体来制备三元PtIrZn催化剂。与CeO₂不同，SiO₂具有较高的表面积，并通过提供OH^-基团在促进AOR中起相似的作用。应该注意的是，本文也研究了CeO₂和CNT的组合，但是它们都具有低的表面积并且不能实现均匀的金属NP分散。（文：SSC）