介孔Co-N-C负载L10-PtCo合金催化剂实现质子交换膜燃料电池高效传质与性能突破

这篇研究报道了介孔Co-N-C（MS-CoNC）负载L10-PtCo有序合金催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的突破性应用。通过CoN4位点与L10-PtCo的强协同作用，该催化剂在高温合成中抑制纳米颗粒聚集，缩短Pt-Pt键长，实现0.54 A mg?1的质量活性（商业PtCo/C的6.3倍）。密度泛函理论（DFT）揭示其优化的d带中心平衡了氧还原反应（ORR）中间体吸附-脱附，MEA测试显示仅60 μgPt cm?2即可达成0.88 W cm?2峰值功率密度，且3万次循环后性能保持率达87.5%。

　　

Abstract

研究团队开发了一种基于介孔Co-N-C（MS-CoNC）负载的L1₀-PtCo有序合金催化剂，显著提升了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的氧还原反应（ORR）性能。该催化剂通过CoN₄位点与L1₀-PtCo的强耦合作用，在750°C高温退火过程中有效抑制纳米颗粒聚集，平均粒径仅3.6 nm（传统碳载体为6.15 nm）。X射线吸收光谱（XAS）证实其独特的Pt-Pt键缩短特性，质量活性达0.54 A mg^?1，是商业PtCo/C的6.3倍。

1 Introduction

铂基催化剂在氢经济中面临成本高、稳定性差的挑战。L1₀-PtCo因其平衡的催化性能成为优选，但传统碳载体难以稳定纳米颗粒。介孔Co-N-C的创新设计解决了这一难题：其2-4 nm孔径选择性排除离聚物，避免铂中毒；CoN₄位点通过电子转移增强金属-载体相互作用，抑制铁基催化剂的芬顿反应风险。

2 Results and Discussion

结构表征：XRD显示33°和53°超晶格峰证实L1₀有序相形成（图1b）。HAADF-STEM直接观察到Pt/Co原子交替排列的fct结构（图1d），EDS映射显示金属在载体边缘富集。XPS和XANES证实Pt 4f结合能负移，Co 2p_3/2正移，表明Pt→Co电子转移（图2a-c）。

孔道优势：氮吸附测试显示MS-CoNC具有典型的IV型等温线，比表面积显著高于传统碳载体（图2e）。这种介孔结构使燃料电池质量传输阻力降低47%（通过DRT分析证实，图3f），直接贡献于0.88 W cm^?2的峰值功率密度。

机理阐释：DFT计算揭示L1₀-PtCo/MS-CoNC的d带中心位于Pt(111)与L1₀-PtCo/C之间（图4e），优化了OOH/O/*OH中间体的吸附自由能（图4g）。其结合能比传统载体高3.2 eV，有效抑制颗粒迁移。

3 Conclusion

该工作通过"载体介孔化+合金有序化"双策略，同步解决了PEMFC催化剂活性与稳定性难题。MS-CoNC的孔径工程将铂载量降至0.06 mg_Pt cm^?2，3万次循环后电压损失仅13%，为下一代低铂燃料电池提供了普适性设计范式。