中国科大团队发明高温“硫固体胶”，有望助力燃料电池降本

图：高温硫锚定合成IMCs催化剂示意图

来源：中国科学技术大学官网

因为燃料电池在发电过程中效率高，且环保，在燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle, FCV）的生产中越来越受欢迎，如汽车、铲车、公交车和飞机。然而，生产燃料电池催化剂的成本昂贵，因此阻碍了燃料电池汽车的大规模生产和大规模应用。

燃料电池催化剂通常由铂（Pt）或铂合金制成，过渡金属薄薄地涂在多孔碳支架上。铂是一种理想的催化材料，因为它可以承受酸性条件并有效地提高化学反应的速度。然而，它很昂贵，而且资源储备不足。因此，当务之急是开发和筛选具有低铂金数量和高催化活性的新催化剂，以实现燃料电池的商业化。

近日，中国科学技术大学的研究人员报告了一种高温硫锚定方法，成功合成了小尺寸铂金属间化合物纳米颗粒 (i-NP) 催化剂，具有超低铂负载和高质量活性。他们还建立了i-NP库，包括46种铂纳米粒子（NPs），以筛选廉价和耐用的电极材料，并系统地探索i-NPs的结构-活性关系。

i-NPs因其独特的原子有序特性，以及在许多化学反应中的优异催化性能而受到广泛关注。然而，在合成i-NPs的过程中，不可避免的金属高温烧结是不理想的，因为它将导致更大的结晶。因此，它导致材料的比表面积减少，催化活性降低，并最终降低了铂的利用率，大大增加了燃料电池的成本。

研究小组巧妙地利用了强大的铂-硫化学作用。他们在掺硫碳（S-C）支持物上制备了铂金属间化合物，以抑制NPs在高温下的烧结，研究人员能够获得平均尺寸小于5纳米的原子有序i-NPs。S-C支持物显示出良好的抗烧结能力，研究人员在高达1000摄氏度的高温下退火后获得了平均直径仍小于5纳米的铂金纳米粒子。然而，在商业碳黑支持物上进行同样的退火过程后，却观察到严重的铂金烧结。

研究人员在S-C支持物上合成了46种小尺寸的铂基i-NPs，并建立了i-NP库。测量了光谱特征，结果验证了Pt-S键的强化学相互作用。此外，X射线衍射（XRD）结果显示，库中的i-NP催化剂排序程度高，尺寸小，与高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）观察的统计分析结果一致。

研究人员表示，基于i-NP库，可以系统地研究催化剂的结构和性能之间的关系。足够的样品能筛选出高效的催化剂，这些催化剂有望在很大程度上降低燃料电池的成本。研究人员筛选了i-NPs，并将其应用于质子交换膜燃料电池（PEMFCs）。这些催化剂对氧还原反应（ORR）表现出优异的电催化性能。

这项研究为氢燃料电池中使用的铂合金催化剂的合成提供了一种通用方法。这种方法为减少铂的使用量带来了希望，从而降低了燃料电池的成本。研究人员相信，通过对碳支撑物的多孔结构和表面功能进行工程设计，燃料电池的效率可以进一步提高，从而加速其从实验室向公开使用的转移。

题为Sulfur-anchoring synthesis of platinum intermetallic nanoparticle catalysts for fuel cells的相关研究论文发表在《科学》杂志上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9980