PtCo合金纳米颗粒锚定于S、P掺杂多级孔碳氮化物协同催化高效持久氧还原助力高温质子交换膜燃料电池

【编辑推荐】针对高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)中催化剂在磷酸环境下的电化学腐蚀问题，研究人员开发了S、P共掺杂多级孔碳氮化物(S,P-HCN)负载PtCo合金催化剂。该催化剂在0.80 V下展现出1.27 mA cmPt-2的比活性和84%的耐久性保留率，单电池功率密度达377.4 mW cm?2，为HT-PEMFC阴极材料设计提供了新思路。

　　

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)因其在150-200°C工作温度下的燃料适应性和简化系统设计等优势，被视为清洁能源技术的重要发展方向。然而，磷酸电解质中磷酸根对铂催化剂的强吸附、碳载体腐蚀等问题严重制约其性能。传统Pt/C催化剂在高温酸性环境中活性位点易被阻塞，且商业碳载体易发生金属颗粒团聚。这些挑战促使研究者探索新型催化剂载体与合金化策略的组合解决方案。

来自中国的研究团队通过水热法制备了硫磷共掺杂多级孔碳氮化物(S,P-HCN)负载PtCo合金催化剂(PtCo/S,P-HCN)。研究采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等技术表征材料结构，通过旋转圆盘电极(RDE)测试评估氧还原反应(ORR)性能，并在单电池中验证实际应用效果。

【Physicochemical properties of PtCo/S,P-HCN】
XRD分析显示S,P-HCN具有23.8°的宽衍射峰，表明其无定形碳特征。PtCo合金纳米颗粒呈面心立方结构，平均粒径3.5 nm，均匀分散在载体上。X射线光电子能谱(XPS)证实S、P的成功掺杂，其中P-C键占比达62.1%，显著增强了载体导电性。

【Electrochemical performance】
在0.1 M HClO₄电解液中，PtCo/S,P-HCN的比活性(1.27 mA cm_Pt^-2)和质量活性(0.51 mA μg_Pt^-1)分别是商业Pt/C的2.3倍和2.8倍。电化学活性面积(ECSA)达39.9 m² g^{-1Pt，5000次循环后仍保持84%质量活性，半波电位仅负移14 mV。}

【Single-cell HT-PEMFC studies】
单电池测试显示，PtCo/S,P-HCN峰值功率密度达377.4 mW cm^?2，接近商用Pt/C(398 mW cm^?2)，但在低电流密度区电压衰减更缓慢，表明其在实际工况下的稳定性优势。

该研究通过构建三维多级孔结构和S/P双掺杂策略，实现了三大突破：(1)多孔骨架提供高比表面积(412 m² g^-1)，促进PtCo纳米颗粒分散；(2)磷掺杂形成P-C键增强电子传导，硫掺杂产生C-S-C键优化氧吸附；(3)PtCo合金与载体的强相互作用(Pt-N键占比35.7%)抑制金属溶解。Balamurali Ravichandran等研究者的工作为HT-PEMFCs提供了一种兼具高活性与耐久性的阴极催化剂设计方案，其采用的碳氮化物载体合成方法对新型能源材料开发具有普适性指导意义。论文发表在《Fuel》期刊，展现了非贵金属掺杂碳材料在高温电化学器件中的应用潜力。