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Yolk-like Pt nanoparticles as cathode catalysts for low-Pt-loading proton-exchange membrane fuel cells

质子交换膜燃料电池 催化作用 材料科学 阴极 化学工程 介孔材料 纳米颗粒 吸附 基质(水族馆) 纳米技术 化学 物理化学 有机化学 工程类 地质学 海洋学 生物化学
作者
Ziqiang Niu,Huibing Liu,Zelong Qiao,Kangwei Qiao,Panpan Sun,Haoxiang Xu,Shitao Wang,Dapeng Cao
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier]
卷期号:27: 101043-101043 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2022.101043
摘要

Currently, how to reduce the Pt loading in proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) is an urgent task for its practical application. Here, we propose a substrate engineering strategy of Pt catalysts to achieve low-Pt-loading PEMFC application, i.e., using the N-doped porous carbon (NC) with ultrahigh specific surface area (SSA) to trap Pt nanoparticle (NP). The egg-yolk-like Pt NP catalysts (Ptey/NC) have been synthesized successfully by using the strategy. The Ptey/NC not only possesses an ultrahigh SSA of 2271 m2/g and a relatively low-Pt content of 5.48 wt% but also shows better ORR activity and stability in acidic media than commercial 20% Pt/C. Using Ptey/NC as a cathode catalyst, the assembled PEMFC shows a high peak power density. At the ultralow-Ptey/NC loading of 0.03 mgPt/cm2, the Ptey/NC exhibits extremely high mass activity of 1.63 A/mgPt and 1.1 A/mgPt under 250 kPa and 150 kPa back pressure at 0.9 ViR-free in H2/O2 PEMFC, which are mainly attributed to the ultrahigh SSA plus low-Pt-content, rich mesopore structure, fully exposure of Pt (111), and the yolk-like special structure. DFT results further reveal that the interface effect between Pt NPs and NC significantly reduces the adsorption energy of oxygen species and, therefore, boosts its catalytic activity. This work provides a useful solution of using ultrahigh SSA catalyst plus low-Pt content to solve the low-Pt-loading problem, which would speed up the development of low-Pt-loading PEMFCs.
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