In Situ Nitrogen Infiltration into an Ordered Pt3Co Alloy with sp–d Hybridization to Boost Fuel Cell Performance

原位 材料科学 催化作用 渗透(HVAC) 合金 氮气 燃料电池 化学工程 化学 冶金 复合材料 有机化学 工程类
作者
Mengzhao Zhu,Huijuan Zhang,Yanmin Hu,Fangyao Zhou,Xiaoping Gao,Dayin He,Xuyan Zhao,Chao Zhao,Jing Wang,Wenan Tie,Xiaoyan Tian,Bo Wang,Tao Yao,Huang Zhou,Zhe Wang,Jin Wang,Wenxin Guo,Yuen Wu
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:14 (8): 5858-5867
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c06223
摘要

Reducing the dosage of Pt while achieving high activity and stability remains a significant challenge in developing a cathode catalyst for the H2/air-fed fuel cell. Here, we employed N-doped carbon derived from small organic molecules as N sources to prepare a fully N-doped ordered Pt3Co catalyst (IM-Pt3CoN) for the oxygen reduction reaction (ORR). This unique approach precisely controls the in situ capture of N atoms during the high-temperature alloying process of ordered Pt3Co nanoparticles (NPs), allowing full interstitial doping of N atoms within the gaps of Pt3Co intermetallic nanocrystals. The nitrogen-implanted IM-Pt3Co with increased vacancy formation energy of Pt/Co and optimized d band can restrain the tendency of Pt/Co dissolution and weaken the binding of oxygenated species, leading to improved ORR activity and durability. Remarkably, the IM-Pt3CoN catalyst demonstrated high performance in the H2–O2 fuel cell (a high power density of 2.4 W cm–2, 1.21 A/mgPt for mass activity (MA)) and enhanced stability (78.7% MA retained after 30k voltage cycles). Furthermore, in practical H2–air fuel cell tests, a peak power density of 1.01 W cm–2 and a voltage loss of only 28 mV at 0.8 A cm–2 after an accelerated durability test (ADT) can be achieved. These performance indicators exceed the Department of Energy (DOE) 2025 fuel cell technical targets.
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