追求高功率密度和低鉑催化劑負(fù)載量是開(kāi)發(fā)高性能燃料電池（FC）的巨大挑戰(zhàn)。在此，提出了一種新型超級(jí)燃料電池（SFC），通過(guò)比電雙層電容（EDLC）+氧還原反應(yīng)（ORR）并聯(lián)放電實(shí)現(xiàn)超高輸出功率，這是使用新制備的催化劑，單原子鉑在雙金屬金屬有機(jī)骨架（MOF）衍生的中空多孔碳納米棒（Pt
SA/HPCNR）。基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC具有比20% Pt/C基FC高3.4倍的瞬態(tài)比功率密度和13.3倍長(zhǎng)的放電時(shí)間，并且具有獨(dú)特的原位自充電和儲(chǔ)能能力。 X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)、像差校正高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡和密度泛函理論計(jì)算表明，錨定在碳缺陷上的Pt單原子的協(xié)同效應(yīng)顯著提高了其電子轉(zhuǎn)移、ORR催化活性、耐用性和倍率性能，實(shí)現(xiàn)快速的“ORR+EDLC”并行放電機(jī)制，克服傳統(tǒng)FC緩慢的ORR過(guò)程。有前景的 SFC 開(kāi)辟了一條提高超低 Pt 負(fù)載量 FC 功率密度的新途徑。
Fig 1. 基于20% Pt作為空氣陰極的常規(guī)燃料電池和基于Pt
SA-1.74/HPCNR作為空氣陰極、具有“ORR+EDLC”并聯(lián)放電和自充電能力的超級(jí)燃料電池在不同放電場(chǎng)景下的示意圖。
Fig 2. 20% Pt/C基FC和Pt
SA-1.74/HPCNR基SFC的脈沖放電曲線，其中施加了a）10、b）300和C）500 mA cm
−2的脈沖電流密度。d） 20% Pt/C基FC和Pt
SA-1.74/HPCNR基SFC在不同脈沖電流下的瞬態(tài)功率比較。FC和SFC在e）1、f）10和g）200 mA cm
−2時(shí)的恒電流放電曲線。（h） 20% Pt/C基FC和Pt
SA-1.74/HPCNR基SFC在1–400 mA cm
−2的不同時(shí)間的能量比較。i） 基于20% Pt/C的FC中的放電機(jī)制和基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC系統(tǒng)中的“ORR+EDLC”平行放電機(jī)制的示意圖。
Fig 3. a） 20 mA cm
−2條件下50次循環(huán)的GCD曲線。b） 在20 mA cm
−2下充電50次循環(huán)后，基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC的放電曲線。c） 基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC在20 mA cm
−2下自充電50次循環(huán)后的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。d） 基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC在20 mA cm
−2下自充電50次循環(huán)后的放電曲線。e） 基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC系統(tǒng)中的自充電機(jī)制示意圖。
Fig 4. a） 固定在高容量雙金屬M(fèi)OF衍生的中空多孔碳納米棒（Pt
SA-m/HPCNR）復(fù)合材料上的Pt
-SAs的合成路線示意圖。TEM、b）In
1Zn
2-HCNR-4、c）HPCNR-4和d）Pt
SA-1.74/HPCNR材料的相應(yīng)HR-TEM圖像和SAED圖案。e） HAADF-STEM圖像，f）AC-HAADF-SEM圖像，以及g）Pt
SA-1.74/HPCNR材料的放大圖像。h） EDX光譜和i）Pt
SA-1.74/HPCNR材料的相應(yīng)EDX元素映射圖像。
Fig 5. Pt
SA-1.74/HPCNR催化劑中原子的電子態(tài)。a） Pt
SA-1.74/HPCNR的高分辨率Pt 4f XPS光譜。b）對(duì)于Pt箔、PtO
2和Pt
SA-1.74-HPCNR，XANES光譜和c）k
3加權(quán)Pt L
3邊緣的FTEXAFS光譜。d）Pt
SA-1.74/HPCNR、e）Pt箔和f）PtO
2的k
3加權(quán)的Pt L
3邊WT-EXAFS輪廓圖。
Fig 6. HPCNR-4、Pt
SA-1.74/HPCNR和20%Pt/C電極在a）1A g
−1和b）100 A g
−1下的GCD曲線。c） HPCNR-4、Pt
SA-0.92/HPCNR、Pt
SA-1.74/HPCNR和Pt
NP-3.59/HPCNR以及20% Pt/C電極的倍率性能，以及報(bào)告文獻(xiàn)中作為SC電極的相關(guān)碳材料的比電容的比較。d） HPCNR-4和Pt
SA-1.74/HPCNR電極在100 000次循環(huán)期間在100 A g
−1下的長(zhǎng)循環(huán)性能，插入d）100 000次周期前后100 mV s
−1的CV曲線。（e） 所獲得的HPCNR-4、Pt
SA-1.74/HPCNR和20% Pt/C電催化劑在N
2-/O
2飽和的0.1 M KOH電解質(zhì)中的CV圖，具有10 mV s
−1。f） 在5 mV s
−1的掃描速率下，1600 rpm下RRDE測(cè)試的LSV圖，插入HPCNR-4、Pt
SA-m/HPCNR和20% Pt/C ORR催化劑的f）Tafel曲線。g） 所制備的催化劑和20% Pt/C在0.9V下相對(duì)于RHE的質(zhì)量活性以及相關(guān)文獻(xiàn)比較了相關(guān)Pt基催化劑的質(zhì)量活性。（h） 20小時(shí)的穩(wěn)定性評(píng)估。
Fig 7. a） 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和b）Pt-C
2/G、Pt-C
3/G和Pt-C
4/G的電荷密度差。黃色區(qū)域表示電荷增加，藍(lán)色區(qū)域表示電荷損失。c） 原始G、Pt-C
2/G、Pt-C
3/G和Pt-C
4/G的組合投影態(tài)密度（PDOS）。d） 吸附自由能(△G
ads）在Pt-C
2/G、Pt-C
3/G和Pt-C
4/G上的不同ORR中間體OOH*、O*和OH*。Pt-C
2/G、Pt-C
3/G和Pt-C
4/G在e）0V和1.23V以及f）0.84V下不同ORR中間體OOH*、O*和OH*的自由能圖。原子顏色-灰色：C，葡萄酒：Pt，粉紅色：O，白色：H。
相關(guān)研究工作由北京化工大學(xué)Junqing Pan 課題組于2023年在線發(fā)表在《Adv. Mater.》期刊上，Bimetallic-MOF Derived Carbon with Single Pt Anchored C4 Atomic Group Constructing Super Fuel Cell with Ultrahigh Power Density And Self-change Ability.原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202308989
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
