Rare Earth Evoked Subsurface Oxygen Species in Platinum Alloy Catalysts Enable Durable Fuel Cells

质子交换膜燃料电池 催化作用 溶解 吸附 合金 铂金 氧气 材料科学 化学工程 耐久性 化学 冶金 复合材料 物理化学 有机化学 工程类 生物化学
作者
Liting Yang,Jingsen Bai,Nanshu Zhang,Zheng Jiang,Ying Wang,Meiling Xiao,Changpeng Liu,Siyuan Zhu,Zhichuan J. Xu,Junjie Ge,Wei Xing
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (7) 被引量:31
标识
DOI:10.1002/anie.202315119
摘要

Abstract Alleviating the degradation issue of Pt based alloy catalysts, thereby simultaneously achieving high mass activity and high durability in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), is highly challenging. Herein, we provide a new paradigm to address this issue via delaying the place exchange between adsorbed oxygen species and surface Pt atoms, thereby inhibiting Pt dissolution, through introducing rare earth bonded subsurface oxygen atoms. We have succeeded in introducing Gd−O dipoles into Pt 3 Ni via a high temperature entropy‐driven process, with direct spectral evidence attained from both soft and hard X‐ray absorption spectroscopies. The higher rated power of 0.93 W cm −2 and superior current density of 562.2 mA cm −2 at 0.8 V than DOE target for heavy‐duty vehicles in H 2 ‐air mode suggest the great potential of Gd−O−Pt 3 Ni towards practical application in heavy‐duty transportation. Moreover, the mass activity retention (1.04 A mg Pt −1 ) after 40 k cycles accelerated durability tests is even 2.4 times of the initial mass activity goal for DOE 2025 (0.44 A mg Pt −1 ), due to the weakened Pt−O ads bond interaction and the delayed place exchange process, via repulsive forces between surface O atoms and those in the sublayer. This work addresses the critical roadblocks to the widespread adoption of PEMFCs.
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