用于改善燃料电池中氧还原反应的新型铂纳米团簇

气候变化和化石燃料短缺这两个问题是能源研究的新基石挑战。生产清洁燃料氢的聚合物电解质燃料电池 (PEFC) 是应对这两个挑战的最有希望的选择之一。然而，PEFC 的制造和运行成本很高，主要是因为它们需要大量的铂 (Pt)。此外，地壳中铂的含量是有限的，这意味着要使 PEFC 真正可持续发展，必须减少其使用的铂量。目前，PEFC 使用由负载在炭黑 (Pt NPs/CB) 上的 Pt 纳米颗粒 (NPs) 制成的阴极(正极)。然而，最近的研究表明，Pt 纳米团簇 (Pt NCs) 比 Pt NPs 具有更高的氧还原反应 (ORR) 活性，即，他们有更高的表现。迄今为止，Pt NCs 高 ORR 活性的原因尚不清楚。

最近，由东京理科大学 (TUS) 教授 Yuichi Negishi 领导的研究团队开发出一种新型 Pt NC，其 ORR 活性比商业 Pt NPs 高 2.1 倍，并阐明了其高活性的来源。“在我们的研究中，我们专注于衍生自 Pt、羧酸碳 (CO) 和三苯基膦 (PPh 3 ) 基的 Pt NC，即 [Pt 17 (CO) 12 (PPh 3 ) 8 ] z(其中 z = 1+或 2+)。我们最近表明，与其他 Pt NC 不同，这些 Pt NC 在空气中是稳定的。然后我们进行了密度泛函理论 (DFT) 计算以揭示其显着活性的原因，”Negishi教授说。该研究团队还包括东京理科大学的初级副教授Tokuhisa Kawawaki、北海道大学的Kenji Iida副教授、日本分子科学研究所的Toshihiko Yokoyama教授和大学的Gregory F. Metha教授。澳大利亚阿德莱德。该研究已于 2023 年 3 月 24 日发表在《纳米尺度》杂志上。

研究人员通过将 [Pt 17 (CO) 12 (PPh 3 ) 8 ] z吸附到炭黑上，然后进行煅烧反应来制备 Pt NC。然后，他们使用一种称为线性扫描伏安法的技术将其性能与传统的 Pt NPs/CB 进行了比较。他们发现新型 Pt NC 的性能高于 Pt NPs/CB。值得注意的是，在 0.9 伏时，Pt NC 的活性比 Pt NP/CB 高 2.1 倍。他们还发现，增加电极中的 Pt 负载会导致其质量活性增加，并且 PT NC 的耐久性高于商业 PT NPs/CB。

接下来，为了阐明其高活性的起源，他们进行了 DFT 计算。“我们的计算表明，新型 Pt NC 的高 ORR 活性是由于表面 Pt 原子具有适合 ORR 进程的电子结构，”Negishi 教授透露道。

这些发现可以作为设计未来用于 PEFC 的高活性、高性能 Pt 催化剂的指南，这将使我们在缓解气候变化和化石燃料危机方面更进一步。