原子层沉积技术优化铂催化剂在氧还原反应中的单位催化活性研究

推荐：为解决聚合物电解质膜燃料电池(PEMFCs)中铂(Pt)催化剂成本高、利用率低的问题，研究人员通过改进原子层沉积(ALD)技术，在碳气凝胶(CA)载体上制备出高分散Pt簇催化剂(Pt@CA)。该催化剂在酸性介质中展现出优异的氧还原反应(ORR)活性，单位质量活性(MA)达300.45 A/gPt，较商业催化剂提升3.7倍，为高性能低铂载量催化剂设计提供新思路。

　　

在清洁能源技术快速发展的今天，氢燃料电池因其零排放、高效率的特点备受关注。其中，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFCs)的核心反应——氧还原反应(ORR)的催化效率直接决定电池性能。然而，当前广泛使用的铂(Pt)基催化剂面临两大困境：地球储量稀缺导致的昂贵成本，以及传统制备方法难以实现Pt原子的高效利用。更棘手的是，在酸性ORR环境中，Pt纳米颗粒易发生团聚、脱落，导致活性位点减少。如何用更少的Pt实现更高的催化活性，成为制约PEMFCs商业化应用的关键瓶颈。

针对这一挑战，中国工程物理研究院激光聚变研究中心的Xiaodi Tang等人在《Next Materials》发表研究，创新性地通过简化原子层沉积(ALD)工艺，在三维碳气凝胶(CA)载体上构建出超细Pt簇催化剂。与传统ALD技术相比，该方法摒弃了复杂的流化床反应器，采用H₂O替代O₃作为辅助反应物，通过精确控制脉冲时间、吹扫时间和循环次数，成功制备出Pt负载量0.47-7.26 wt%可调的Pt@CA系列催化剂。

关键技术包括：(1)采用柠檬酸预处理CA载体增加表面含氧官能团；(2)优化ALD沉积参数(160℃铂源温度、225 sccm N₂流量、2 torr工作压力)；(3)通过旋转圆盘电极测试ORR活性；(4)采用加速降解测试(ADT)评估稳定性。

3.1 结构表征

通过高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)观察到Pt@CA-200中粒径<1 nm的Pt簇均匀分布。X射线光电子能谱(XPS)显示Pt⁰(72.8 eV)和Pt²⁺(71.9 eV)共存，证实部分前驱体未完全还原。值得注意的是，随着ALD循环次数增加，Pt(IV)比例上升而Pt(0)下降，这归因于循环过程中碳质吸附产物的积累。

3.2 电催化性能

在0.1 M HClO₄电解液中，Pt@CA-200展现出卓越性能：电化学活性面积(ECSA)达204.87 m²/g_Pt，是商业TKK催化剂(68.41 m²/g_Pt)的3倍；半波电位(E_1/2)达0.883 V，显著高于TKK的0.855 V。最引人注目的是其单位质量活性(MA)达300.45 A/g_Pt，较TKK(81.13 A/g_Pt)提升270%。加速降解测试(ADT)显示，经过10,000次循环后，Pt@CA-200的ECSA保留率高达95.37%，远优于TKK的66.25%。

这项研究的意义在于：(1)开发出无需流化床的简化ALD工艺，通过H₂O参与反应实现环境友好型Pt沉积；(2)证实CA载体三维多孔结构能有效提高Pt分散度和利用率；(3)为设计"少铂高效"催化剂提供新范式，推动燃料电池商业化进程。作者指出，未来研究应聚焦于进一步提高Pt负载量同时保持原子级分散特性，这对ALD技术的大规模应用至关重要。