深圳国际研究生院干林课题组合作利用动态金属-氧化物界面实现高活性高耐久性燃料电池电催化
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清华新闻网3月9日电 近期，清华大学深圳国际研究生院干林副教授课题组与德国慕尼黑工业大学马克·莱登德克尔（Marc Ledendecker）教授课题组合作，在利用金属/金属氧化物的动态界面开发高性能燃料电池电催化剂方面取得重要进展。该研究通过构筑铂（Pt）基催化剂与超薄p区金属氧化物（MOx，M=In、Sn、Sb）的界面，发现在燃料电池氧还原反应（ORR）电催化过程中MOx/Pt界面呈现出动态氧“呼吸”行为：还原电位下形成缺氧型M/Pt界面，显著提升ORR电催化活性；氧化电位下则生成富氧型M–O/Pt界面，通过引导界面氧的形成，有效抑制了Pt表面的氧化与溶解。这种金属-氧化物界面的动态行为可拓展至多种铂基及铂-双金属催化体系，为突破燃料电池电催化剂活性与稳定性的权衡困境提供了新策略。
在氢燃料电池ORR电催化反应中，低含量的贵金属Pt催化剂仍是目前商业化应用最广泛的催化剂，但其在波动电化学条件下易发生表面氧化与溶解，导致稳定性不足。如何抑制Pt催化剂的氧化与溶解，是燃料电池电催化领域长期面临的挑战。金属-氧化物界面的构建在热催化领域被证明是调控催化活性的有效策略，但其在电催化中的作用机制及原子尺度机理研究还很少。尤其是在实际工作条件下电催化剂可能发生显著的动态结构演变，而金属-氧化物界面在电催化条件下的动态行为及其对电催化性能的影响尚不明确。
该研究提出一种动态金属-氧化物界面（MOx/Pt, M = In、Sn、Sb）调控策略，并将其应用于多种燃料电池铂基催化剂体系，包括Pt八面体纳米颗粒（Oct-Pt）及高比表面积的Pt/PtCo合金催化剂，实现了ORR活性与稳定性的协同提升。结合干林课题组的差分相位衬度扫描透射电子显微成像（DPC-STEM）与马克·莱登德克尔课题组原位流动池电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术，研究团队在原子尺度上观察到富氧型M–O–Pt界面（高电位）与缺氧型M–Pt界面（低电位）之间的可逆转变机制。还原电位下（0.7V以下），M–Pt界面通过界面电荷转移显著提升ORR活性（Pt-InOx体系效果最为显著）；氧化电位下（1.0V及以上），O原子插入M–Pt界面之间形成M–O–Pt界面，有效抑制了Pt的氧化、溶解与迁移，提升催化剂的耐久性。研究进一步采用InSnOx修饰的PtCo催化剂，在车用质子交换膜燃料电池条件下实现了电池稳定性相比于PtCo催化剂提升三倍的成果。该工作提出了通过构筑金属-氧化物动态界面解耦催化活性-稳定性权衡的新范式，为开发高性能、长寿命燃料电池催化剂开辟了新途径。
图1.通过Pt表面外延生长不同覆盖度的超薄p区金属氧化物构筑MOx/Pt界面及其对ORR电催化性能的影响
图2.Pt（111）表面与超薄MOx（M=In、Sn、Sb）的界面构筑与原子尺度表征
图3.不同电势下MOx/Pt（111）界面的动态行为
图4.MOx/Pt/C催化剂的ORR电催化性能和原位流动池电感耦合等离子体质谱分析
图5.MOx/Pt/C和MOx/PtCo/C催化剂的膜电极性能测试及结构表征
研究成果以“利用动态金属-氧化物界面实现高活性高耐久性燃料电池电催化”（Harnessing Dynamic Metal-Oxide Interfaces for Durably Active Fuel Cell Electrocatalysis）为题，于近日在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）。
清华大学深圳国际研究生院2022级博士生崔跃飞、2021级博士生常亮，慕尼黑工业大学2024级博士生游翔宇为论文共同第一作者；清华大学深圳国际研究生院副教授干林和慕尼黑工业大学教授马克·莱登德克尔为论文共同通讯作者。论文其他合作者包括深圳国际研究生院2024届硕士毕业生罗旋、2022级博士生崔雯婷、2021级博士生李泽健、2024届硕士毕业生王思捷、2023级硕士生燕梦冉，德国慕尼黑工业大学吉尔赫梅·V·福尔图纳托（Guilherme V. Fortunato）博士。研究得到清华大学深圳国际研究生院海外科研合作项目、国家自然科学基金、深圳市科技计划以及德国联邦教育与研究部NanoMatFutur计划的支持。
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