第一作者：Zhongxin Song

通讯作者：Xueliang Sun

通讯单位：University of Western Ontario

研究内容：

将阳极层中的Pt负载降低至约0.025 mg·cm ^–2以下当使用常规的Pt / C催化剂和电极涂覆方法时，发现可以降低聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）正常运行期间的氢氧化反应速率。为了在保持高PEMFC性能和耐久性的同时在阳极催化剂层中实现极低的Pt负载，使用原子层沉积（ALD）技术成功制备了在阳极层中具有低Pt负载的一系列膜电极组件（MEA）。当控制ALD循环数时，具有不同尺寸和负载的Pt纳米颗粒（NP）直接沉积在碳层上以形成阳极催化剂层。具有均匀粒径的ALDPt NP高度分布在碳表面上，它促进了具有高电化学活性表面积的ALDPt，并增强了ALDPt-MEAs的性能。特别地，具有通过50 ALD循环制备的阳极Pt的50 ALDPt-MEA显示出优异的H₂ –空气PEMFC的活性和耐久性。重要的是，超低阳极Pt负载为0.01 mg·cm ^–2的20 ALDPt-MEA的表面积非常高，为155 m² ·g^–1_Pt，大约是50.3 m² ·g^–1_Pt的3倍。商业铂催化剂。在阳极电势循环测试期间，20 ALDPt阳极也显示出比市售Pt / C更好的稳定性。超低的Pt负载量，均匀的Pt分布，较高的MEA性能和耐用性表明ALD技术在开发PEMFC高性能电催化剂方面具有巨大潜力。

要点一： 

  在SUSD运行过程中的阳极稳定性和使用低铂负载量(<0.05 mg/cm²)的阳极时燃料匮乏的情况下所做的努力很少，寻求一种新的技术来制备不仅具有低铂负载量而且具有优异的性能和耐久性的电极催化层对于开发低成本的质子交换膜燃料电池是必要的。

要点二：

  直接在碳涂层表面沉积Pt纳米粒子是制备燃料电池高效电催化剂的有效方法，因为它可以促进Pt活性表面的暴露，提高膜电极组件(MEA)中Pt的利用率。

要点三：

  本工作首次采用ALD技术在粘结碳层上沉积超低铂负载量，将铂纳米粒子直接沉积到碳表面，形成具有三相界面的阳极催化层(铂-碳-离聚体)。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极层上后沉积Pt的新颖之处在于，它可以有效地提高Pt的利用率，在降低Pt负载量的同时提高PEMFC的性能。

图1. (a)商用Pt/C、(b)50 AlD Pt、(c)30 AlD Pt和(d)20 AlD Pt制备的Pt纳米粒子的HRTEM图像和相应的阳极催化层尺寸分布直方图。

图2. (a) ALDPt-MEA和一种不同阳极Pt负载量的商品化Pt-MEA的H₂−空气极化曲线。(b)以阳极为工作电极(以1%H₂/N₂气体为原料)和阴极为对电极(以H₂为原料)，以10 mV s⁻¹的扫描速率，从开路电压扫描到0.6V (vs RHE)，测得了加氢采油阳极催化剂的I−V曲线。

图3. H₂−空气质子交换膜燃料电池的极化和功率密度曲线，阴极为0.4 mg·cm ^–2商用Pt/C，阳极为(a) 50 ALDPt-0.035 mg·cm ^–2，(b)30 ALDPt-0.02 mg·cm ^–2，(c)20 ALDPt-0.01 mg·cm ^–2，(d)商用Pt-0.035 mg·cm ^–2。(e)2000年阳极电位循环后MEAs的电压损失与电流密度的关系。 (f) ALDPt-MEA和商用Pt-MEA在2000次阳极电位循环前后的功率密度(BOL：寿命开始)。

图4. (a)50ALDPt-MEA-BOL和(b，c)50ALDPt-MEA-EOL在2000个阳极电位循环AST之后的MEA横截面的FESEM图像，(d)商用Pt-MEA-BOL和(e，f)商用Pt-MEA-EOL在2000个阳极电位循环AST之后的MEA横截面的FESEM图像（BOL，寿命开始；EOL，2000次阳极电位循环试验后的寿命结束）。

图5. 循环MEA横截面的表征：（a）50 ALDPt MEA EOL的横截面HAADF-STEM图像（b）来自50 ALDPt MEA EOL阳极层的Pt催化剂的高分辨率HAADF-STEM图像，（c）50 (Song, Norouzi Banis et al. 2019)ALDPt MEA EOL横截面的EDX图，（d）商用Pt MEA EOL的横截面HAADF-STEM图像，（e）来自商用Pt MEA EOL阳极层的Pt催化剂的高分辨率HAADF-STEM图像，以及商用Pt MEA EOL横截面的（f）EDX图。

参考文献

Song, Z., et al. Ultralow Loading and High-Performing Pt Catalyst for a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Anode Achieved by Atomic Layer Deposition. ACS Catalysis, 2019, 9: 5365-5374.