第一作者：Xin Feng, Yinyan Bai, Wenjing Zhang, Fangzheng Wang, Deen Sun
通讯作者：Jing Li, and Zidong Wei通讯单位：Chongqing University通过形成密集分布的亚1 nm Pt合金纳米团簇来提高O2捕获效率是提高低Pt负载膜电极组件（MEAs）性能的有效途径。在此，我们报道了一种晶种致密化策略，其中，当施加相同量的Pt前体时，由于单个晶种捕获较少的Pt原子，较致密的Co晶种导致较小的Pt3Co合金纳米晶体。在H2-O2 MEA测试中，Pt3Co-0.87阴极的传质极限电流密度分别比Pt3Co-1.49和Pt3CO-3.47高6.5%和29.1%，在H2-空气供应下，相应的改善率分别高达20.5%和74.5%。这种改进很好地归因于在催化层中具有特别密集分散的超微小Pt3Co纳米团簇所带来的大大提高的O2捕获效率。总之，我们报道了一种用于固相合成亚1 nm合金纳米晶体的种子致密化策略，这确实挑战了固相合成不允许精确尺寸调节的传统观点。在具有单原子Co物种的Pt团簇的合金化过程中，当施加相同量的Pt前体时，由于较少的Pt原子被单个晶种捕获，较密集的Co晶种导致较小的Pt3Co尺寸。通过这种方法，我们成功地制备了两组催化剂：一组为3.2 wt%Pt，具有1.93 nm、1.01 nm和0.69 nm的Pt3Co纳米晶体；另一组为7.0 wt%Pt，具有3.47 nm、1.49 nm和0.87 nm的合金尺寸。在MEA测试中，两个亚1 nm的Pt3Co催化剂提供了显著更高的传质限制电流密度和更好的峰值功率密度，清楚地表明通过减小颗粒尺寸来提高Pt分散密度可以大大提高O2捕获效率，从而增强低Pt MEA性能。这项工作可能导致一系列尺寸和分散密度可调的超微合金催化剂在各个领域的应用。
图 1：CoSA-x的高分辨率HAADF-STEM图像(a−c)和Pt3Co-y产物的TEM图像(d−k)。
图 3：在三电极系统中测试的Pt3Co-y和JM-Pt/C催化剂的电催化活性。三个Pt3Co-y样品的LSV极化曲线、0.9 VRHE下的MA和SA以及Co剥离曲线，其中Pt在碳上的负载量分别为~7.0 wt%（a-c）和~3.2 wt%（d-f）。在O2饱和的0.1 M HClO4溶液中以10 mV s-1的扫描速率和1600 rpm的旋转速率记录LSV曲线。在共饱和的0.1 M HClO4溶液中以10 mV s-1的扫描速率记录共溶出曲线。RDE上的Pt负载为10 μgpt cm−2。
图 4：MEA性能由Pt3Co-y催化剂组装的MEA的极化曲线、功率密度图以及峰值功率密度和极限电流密度（H2-空气流）的比较，其中Pt在碳上的负载量分别为7.0 wt%（a-c）和3.2wt%（d-f）。
图 5：根据DOE推荐的方波ADT（每个循环中0.6 V持续3 s，0.95 V持续3 s），在80℃、50 kPa的H2−O2气流下进行的耐久性试验。在H2-O2（a，b）、MA（c）和MA保留（d）中测试的极化曲线的比较。Xin Feng, Yinyan Bai, Wenjing Zhang, Fangzheng Wang, Deen Sun, Jing Li, and Zidong Wei, Preparation of Sub-1 nm Pt3Co Nanoclusters via a Seed-Densification Strategy for Enhanced O2 Capture in Low-Pt-Loading Fuel Cells, ACS Energy Letters, (2022). DOI: 10.1021/acsenergylett.2c02579
