高效设计的介孔NiS/FePO4 S结构异质结光催化剂，可在可见光下有效促进氢气的生成

《Materials Science and Engineering: B》：Efficient design of mesoporous NiS/FePO 4 S-scheme heterojunction photocatalyst for efficiently enhancing hydrogen evolution under visible light

PtCo/C催化剂通过高温处理（700°C，H?/inert）提升性能，20 wt% Pt版本活性比商用Pt/C高4.7倍，稳定性更优，适用于低温燃料电池。

　　

A.K. Nevelskaya|S.V. Belenov|A.A. Gavrilova|N.V. Lyanguzov|E.R. Beskopylny|I.V. Pankov|A.A. Kokhanov

俄罗斯罗斯托夫-顿河畔佐尔日大街7号，南方联邦大学化学系，邮编344090

摘要

本研究介绍了一种高性能的PtCo/C催化剂，该催化剂是通过高温处理（700°C，H?/惰性气氛）钴沉积前驱体从商用Pt/C（含10–40 wt%铂）合成的。研究发现，增加铂含量会促进纳米颗粒的聚集，从而降低电化学活性表面积（ECSA）并减弱催化活性。在测试的多种变体中，含20 wt%铂的PtCo/C催化剂表现出优异的性能，其活性比商用Pt/C催化剂高出4.7倍。加速稳定性测试（AST）显示其具有更强的耐久性，PtCo/C-20催化剂在测试后活性更高，ECSA降解更小，半波电位损失最小。当将其集成到膜电极组件（MEA）中时，该催化剂的功能性能得到提升，证实了其在低温燃料电池应用中的潜力。

引言

寻找提高基于铂的电催化剂活性和稳定性的方法是推进氢能技术的关键挑战，因为这可以提高诸如低温燃料电池等设备的性能[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。已知用各种d-金属（Co、Ni、Fe、Cu等）[[9], [10], [11]]掺杂铂，并优化催化剂的组成、结构和纳米颗粒大小，可以增强其功能特性[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]，同时降低生产成本。

到目前为止，PtCo/C催化剂被认为是燃料电池应用中最有前景的材料，因为它们结合了高氧还原反应（ORR）活性和出色的稳定性[4,19,20]。这一点从丰田Mirai汽车的使用中得到了进一步证明[21]。双金属催化剂的化学组成、纳米颗粒结构及其在碳载体表面的分布模式决定了它们的功能特性。例如，提高催化剂纳米颗粒中金属组分的合金化程度对于开发高效的PtCo/C催化剂至关重要[[22], [23], [24]]。这一点尤为重要，因为未掺入的钴原子在运行过程中会溶解，毒害聚合物膜并降低燃料电池（FC）的性能[25]。

在各种合成方法中，高温合成可以实现较高的组分合金化程度[[26], [27], [28], [29]]。一种有前景的方法是使用预先合成的Pt/C催化剂（通常为市售产品），用d-金属前驱体对其进行浸渍，然后以氧化物/氢氧化物形式沉积金属，并在惰性气氛中加入微量氢气进行热处理。这一过程有助于Pt-M合金的形成[22,28,30,31]。值得注意的是，所得双金属铂基催化剂的功能特性不仅取决于温度和处理条件，还取决于初始Pt/C催化剂的微观结构。特别是，具有有序合金（金属间）结构的PtCo纳米颗粒比具有无序合金结构的纳米颗粒具有显著更高的稳定性[28,[32], [33], [34], [35]]。

文献中有一些关于处理温度和气氛组成对通过高温合成方法制备的PtM/C催化剂性能影响的研究[[36], [37], [38]]。然而，关于微观结构（此处定义为铂纳米颗粒的平均大小和尺寸分布以及它们在碳载体表面分散的均匀性）和Pt/C材料中铂的质量分数对最终催化剂的结构特性和电化学行为的影响的系统研究尚缺乏。我们认为，这类研究提供了新的关键信息，有助于更好地理解PtCo/C催化剂中的结构-活性关系，这对于进一步改进这一具有实际意义的合成方法至关重要。

因此，本工作的目标是利用不同初始铂负载量的商用Pt/C催化剂作为前驱体，通过还原气氛中的高温处理合成一系列具有不同铂质量分数（10–40 wt%）的PtCo/C催化剂，并对其组成、结构和ORR催化活性进行比较研究。

部分内容摘录

PtCo/C催化剂系列的合成

将一定量的商用Pt/C催化剂（铂含量为10–40 wt%，Prometheus R&D LLC生产[39]）放入玻璃烧杯中，然后用量筒加入60 mL乙二醇（试剂级，AO “EKOS-1”，莫斯科，俄罗斯）。所得悬浮液在磁力搅拌器上用磁力搅拌棒搅拌2–3分钟，随后使用FS-1200 N超声波处理器进行两次2分钟的超声分散处理。之后将混合物重新放回磁力搅拌器中。

结果与讨论

Prometheus R&D LLC提供的商用Pt/C载体材料表现出较高的电化学活性表面积（ECSA）和活性，这归因于铂纳米颗粒在碳载体表面分布的高度均匀性和较小的平均尺寸[39]。据认为，这类材料是通过浸渍后在还原气氛中处理来制备各种双金属催化剂的有希望的基础。

一系列含不同铂含量的PtCo/C催化剂

结论

通过对商用Pt/C材料进行钴沉积并随后在还原气氛中热处理制备的含10–40 wt%铂的PtCo/C催化剂的研究，得出了以下关键发现：

- 随着铂含量的增加，PtCo/C催化剂的平均纳米颗粒尺寸增大，尺寸差异从1.8 nm（10 wt%铂）增加到3.8 nm（40 wt%铂）。

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  两者

CRediT作者贡献声明

A.K. Nevelskaya：撰写初稿、验证、项目管理、研究、数据分析。S.V. Belenov：撰写与编辑、可视化、监督、方法论、数据分析、概念化。A.A. Gavrilova：研究、数据分析。N.V. Lyanguzov：数据分析。E.R. Beskopylny：数据分析。I.V. Pankov：可视化、数据分析。A.A. Kokhanov：数据分析。

资金来源

这项研究由南方联邦大学资助，得到了俄罗斯科学基金会（授权号：24–79-00279）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者还要感谢“高分辨率透射电子显微镜”共享使用中心（SFedU）进行的TEM和EDX研究。这项研究是在南方联邦大学战略学术领导计划（优先项目2030）的框架内进行的。