Tailored Lattice Compressive Strain of Pt‐Skins by the L12‐Pt3M Intermetallic Core for Highly Efficient Oxygen Reduction

金属间化合物 材料科学 催化作用 化学工程 密度泛函理论 质子交换膜燃料电池 复合材料 化学 计算化学 工程类 生物化学 合金
作者
Zichen Wang,Suhao Chen,Wei Wu,Runzhe Chen,Yu Zhu,Haoran Jiang,Liyue Yu,Niancai Cheng
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (36) 被引量:43
标识
DOI:10.1002/adma.202301310
摘要

The sluggish kinetics of oxygen reduction reaction (ORR) and unsatisfactory durability of Pt-based catalysts are severely hindering the commercialization of proton-exchange-membrane fuel cells (PEMFCs). In this work, the lattice compressive strain of Pt-skins imposed by Pt-based intermetallic cores is tailored for highly effective ORR through the confinement effect of the activated nitrogen-doped porous carbon (a-NPC). The modulated pores of a-NPC not only promote Pt-based intermetallics with ultrasmall size (average size of <4 nm), but also efficiently stabilizes intermetallic nanoparticles and sufficient exposure of active sites during the ORR process. The optimized catalyst (L12 -Pt3 Co@ML-Pt/NPC10 ) achieves excellent mass activity (1.72 A mgPt-1 ) and specific activity (3.49 mA cmPt-2 ), which are 11- and 15-fold that of commercial Pt/C, respectively. Besides, owing to the confinement effect of a-NPC and protection of Pt-skins, L12 -Pt3 Co@ML-Pt/NPC10 retains 98.1% mass activity after 30 000 cycles, and even 95% for 100 000 cycles, while Pt/C retains only 51.2% for 30 000 cycles. Rationalized by density functional theory, compared with other metals (Cr, Mn, Fe, and Zn), L12 -Pt3 Co closer to the top of "volcano" induces a more suitable compressive strain and electronic structure on Pt-skin, leading to an optimal oxygen adsorption energy and a remarkable ORR performance.
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