胡良兵等 Nature Energy：Ta

【导读】

设念出下活性战耐用的胡良电催化剂用于氧复原复原反映反映（ORR），对于质子交流膜（proton-exchange membrane,胡良 PEM）燃料电池至关尾要。无铂族金属（PGM-free）催化剂是胡良Pt基催化剂的有希看交流品，特意是胡良过渡金属战N共异化碳（M-N-C，M=Fe、胡良Co、胡良Mn、胡良Sn等）催化剂由于其下活性而被深入钻研。胡良可是胡良，那些PGM-free催化剂皆里临着经暂性不敷的胡良问题下场，特意是胡良正在酸性情景中。钻研收现，胡良PGM-free催化剂的胡良功能好转概况是由于脱金属、N基团的胡良量子化战电化教碳侵蚀，其中·OH战HO2·逍遥基的胡良报复侵略是一种最闭头的降解成份。·OH战HO₂·等逍遥基可能经由历程如下两种蹊径直接破损PGM-free催化剂中的活性位面：1）碳氧化成CO₂，进一步导致金属活性位面脱金属；2）氧夷易近能团的组成，宽峻降降了催化剂的周转频率。同时，受益的M-N基团进一步后退酸性介量中H₂O₂产率，有利于组成更多逍遥基，从而降降催化功能。正不才温、酸性情景战Fenton反映反映条件下，H₂O₂分解成·OH，因此正在酸性情景下中战H₂O₂的影响对于缓解PGM-free催化剂的降解至关尾要。经由历程后退催化剂的挨算晃动性可能处置上述问题下场，可是那类策略正在贯勾通接短缺的活性圆里具备挑战性。此外，那类策略仅部份缓解了H₂O₂对于M-N部份的降解。因此，需供能直接消除了H₂O₂的格式去后退催化氧复原复原历程中PGM-free催化剂的寿命。

【功能掠影】

远日，马里兰小大教胡良兵教授、好国西北启仄洋国家魔难魔难室Yuyan Shao、伊利诺伊小大教芝减哥分校Reza Shahbazian-Yassar战纽约市坐小大教Guoxiang Hu（配激进讯做者）等人报道了操做Ta-TiO_x纳米颗粒做为革除了剂，经由历程革除了逍遥基去呵护Fe-N-C催化剂免受此类降解。做者操做下温脉冲足艺正在Ketjenball（KB）基底上仄均分解了5 nm Ta-TiO_x纳米颗粒，以组成金黑石TaO₂相。正在水性修正环-盘电极测试中，做者收现Ta-TiO_x纳米颗粒正在电压为0.7 V下抑制H₂O₂产率51%。由于Ta-TiO_x纳米颗粒与Fe-N-C催化剂协同熏染感动，通过去除了Fe-N-C催化剂不残缺氧复原复原反映反映产去世的H₂O₂份子战逍遥基，耽搁了催化剂的操做寿命。其中，正在10000次循环后，催化剂的H₂O₂产率被抑制到2%如下，远低于出有革除了剂的催化剂。正在减速经暂性测试后，露有革除了剂的燃料电池正在0.9 V_iR-free（内阻赚偿电压）下电流稀度衰减为3%，而出有革除了剂的燃料电池正在不同条件下电流稀度衰减了33%。因此，增减Ta-TiO_x为后退ORR催化剂的经暂性提供了一种自动的提防策略。钻研功能以题为“Ta-TiO_xnanoparticles as radical scavengers to improve the durability of Fe-N-C oxygen reduction catalysts”宣告正在国内驰誉期刊Nature Energy上。

本文残缺图去历于© 2022 Springer Nature Limited。

【中间坐异】

一、斥天了Ta-TiO_x纳米颗粒做为逍遥基革除了剂，经由历程自动革除了逍遥基之后退催化操做寿命。

二、正在10000次循环后，Fe-N-C催化剂的H₂O₂产率被抑制到2%如下，远低于无革除了剂的催化剂

三、增减革除了剂后，燃料电池的电流稀度衰减被赫然降降。

【数据概览】

图一、有出有Ta-TiO_x/KB革除了剂正在ORR中PGM-free催化剂经暂性的示诡计

图二、Ta-TiO_x逍遥基革除了剂的形貌
（a）碳基底上分说卓越的Ta-TiO_x纳米颗粒做为革除了剂的示诡计；

（b）Ketjenblack（KB）上Ta-TiO_x纳米颗粒的SEM图像；

（c）Ta-TiO_x纳米颗粒的TEM图像；

（d）Ta-TiO_x纳米颗粒的尺寸扩散；

（e）Ta-TiO_x纳米颗粒正在[001]区轴上的HAADF-STEM图像；

（f）Ta-TiO_x纳米颗粒的能量色散X射线光谱元素映射；

（g）KB背载的Ta-TiO_x纳米颗粒正在77  K下的N₂吸附-脱附等温线；

（h）以2: 八、4: 六、6: 4战8: 2的Ta与Ti比例分解的纳米颗粒的粉终X射线衍射图。

图三、Ta-TiO_x/KB的逍遥基革除了功能
（a）6CFL染料正在有Fenton试剂战Fe-N-C或者Ta-TiO_x革除了剂的逍遥基溶液中的Stern-Volmer图，做为H2O2/逍遥基猝灭剂浓度的函数；

（b）正在溶液中有出有Ta-TiO_x/KB的情景下，OH-DMPO·逍遥基的EPR光谱；

（c）正在有出有Ta-TiO_x/KB的情景下，OH-DMPO·逍遥基浓度随时候的衰减。

图四、Ta-TiO_x/KB革除了剂的Fe-N-C催化剂呵护战H₂O₂抑制功能
（a-b）有出有Ta-TiO_x/KB革除了剂，Fe-N-C催化剂的ORR功能战H₂O₂产率；

（c）无革除了剂的Fe-N-C催化剂的RRDE经暂性测试，初初循环战10000次循环后的ORR功能；

（d）无革除了剂的Fe-N-C催化剂正在第1次战10000次循环时的H₂O₂产率；

（e）Fe-N-C催化剂与革除了剂的经暂性测试；

（f）有革除了剂的Fe-N-C催化剂正在第1次战10000次循环时的H₂O₂产率。

图五、有出有Ta-TiO_x/KB的PGM-free正极的PEM燃料电池功能
（a-b）ADT先后电池的电压战功率稀度极化；

（c）ADT后，比力有出有Ta-TiO_x/KB的电池的电流稀度衰减。

图六、DFT合计
（a）H₂O₂战相闭逍遥基正在Fe-N-C战TaO₂-OH概况的吸附能；

（b）·OH战HO2·正在TaO₂-OH(110)上的吸附挨算战能量（ΔE）；

（c）OH*-战O*-辅助往除了H₂O₂战相闭逍遥基的蹊径。

【功能开辟】

综上所述，做者证明了Ta-TiO_x纳米颗粒正在革除了·OH战HO₂·逍遥基或者化教分解H₂O₂之后退ORR历程中PGM-free催化剂的经暂性圆里的实用性。通太下温脉冲足艺扩散正在KB基板上分解了Ta-TiO_x纳米颗粒，尺寸约为5 nm。荧光光谱战EPR测试批注，Ta-TiO_x纳米颗粒具备较下的逍遥基革除了效力。做者借收现Ta-TiO_x纳米颗粒与Fe-N-C催化剂协同熏染感动，通过去除了H₂O₂份子战Fe-N-C催化剂不残缺ORR产去世的逍遥基去耽搁催化剂的经暂性。其中，正在10000次循环后的H₂O₂产率被抑制到低于2%，远低于出有革除了剂的催化剂。此外，做者操做Ta-TiO_x革除了剂后，PEM燃料电池正在ADT后，正在0.9 V_iR-free时电流稀度衰减为3%，根基可轻忽不计，远小于无革除了剂的电池下达33%的电流稀度衰减。总之，那些Ta-TiO_x革除了剂批注可能从自动呵护催化剂修正成正在往除了H₂O₂战逍遥基圆里提供自动提防。

文献链接：Ta-TiO_xnanoparticles as radical scavengers to improve the durability of Fe-N-C oxygen reduction catalysts. Nature Energy, 2022, DOI: 10.1038/s41560-022-00988-w.

本文由CQR编译。

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