通讯作者：黄昱，Alessandro Fortunelli
通讯单位：加州大学洛杉机分校、意大利国立研究委员会
黄昱，
美国加州大学洛杉矶分校教授，
博士生导师。
美国青年科学家总统奖、
美国国家科学基金会特别创意奖、
美国国立卫生研究院创新奖
等获得者，
主要从事纳米材料研究，利用生物分子识别材料能力控制材料形态与合成。
铂（Pt）纳米催化剂对于促进质子交换膜燃料电池（PEMFCs）
中的阴极氧还原反应是必不可少的，但是在活性和耐久性之间存在折衷。
本研究成功设计了一种新型的Pt基纳米催化剂，该催化剂由稀疏嵌入的氧化钴簇（CoO
x
）和Pt纳米粒子组成（CoO
x
@Pt）。这种设计利用了Pt与氧化物之间的强相互作用，使得催化剂在不牺牲活性的情况下，具有高结构和化学耐久性。
CoO
x
@Pt纳米催化剂在膜电极组件（MEA）中表现出高初始质量活性1.10 A mg
Pt
-1
，额定功率密度1.04 W cm
-2
，以及Pt利用率为10.4 W mg
Pt
-1
。在经过加速应力测试后，它显示出极高的耐久性，质量活性保持率为88.2%，电流密度为0.8 A cm
-2
时电压损失仅为13.3 mV，额定功率损失仅为7.5%。这种耐久性可以提供15,000 h的长寿命，从而大幅降低寿命调整成本。
图1：燃料电池的架构和CoO
x
@Pt/C催化剂的设计。
图2：CoO
x
@Pt/C催化剂的合成和结构表征。
图3：CoO
x
@Pt/C、c-PtCo/C和c-Pt/C催化剂的MEA性能对比。
图4：催化剂在MEA中的尺寸分布、组成和CO剥离分析。
本研究所开发的CoO
x
@Pt/C纳米催化剂在燃料电池中展现出卓越的性能和耐久性。通过嵌入CoO
x
簇，不仅增强了Pt的电子结构，提高了催化活性，还显著提高了催化剂的稳定性。
实验和模拟结果均证实了CoO
x
@Pt/C纳米催化剂具有高热力学稳定性和减少的氧化溶解倾向。在MEA测试中，CoO
x
@Pt/C催化剂实现了高的质量活性、额定功率密度和Pt利用率，以及在经过30000次方波AST后的高耐久性，这些性能均优于现有的最先进的催化剂和美国能源部（DOE）的相关目标。
预计CoO
x
@Pt/C催化剂能够支持燃料电池长达15,000 h的使用寿命，为降低燃料电池系统的终身成本提供了重大突破，并提高了质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的商业可行性，特别是对于重型应用，提供了重要潜力。
标题：Embedded oxide clusters stabilize sub-2 nm Pt nanoparticles for highly durable fuel cells
DOI：10.1038/s41929-024-01180-x
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