L1₀-PtCo合金によるメソポラスCo-N-Cは,陽子交換膜燃料電池の急速な質量輸送を可能にする

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• カタリシス

背景:

• プラチナベースの触媒は燃料電池の酸素還元反応 (ORR) に不可欠です.
• L1₀-PtCoのような移行金属でプラチナを合金すると,性能,耐久性,製造能力が向上します.
• 従来の炭素基はナノ粒子を安定させるのに苦労し,触媒の分解と効率の低下につながります.

研究 の 目的:

• 酸素還元反応 (ORR) のための高性能で耐久性の高い触媒を開発し,従来の炭素支柱の限界を克服する.
• 安定性と触媒活性を改善するために,メソポラスCo-N-CサポートされたL1₀-PtCo触媒 (L1₀-PtCo/MS-CoNC) を導入する.
• メソポラス Co-N-C サポートと L1₀-PtCo クラスタの ORR 性能の間の相乗効果を調査する.

主な方法:

• メソポラスなCo-N-C (MS-CoNC) サポートの合成と,L1₀-PtCoとの統合.
• 構造特性を分析するために,X線吸収光譜法 (XAS) を用いた特徴付け.
• 膜電極組立 (MEA) 試験と耐久性サイクルを含む電気化学試験.
• 触媒メカニズムを理解するための密度関数理論 (DFT) の計算.

主要な成果:

• L1₀-PtCo/MS-CoNC触媒は,商用PtCo/C触媒よりも6.3倍高い0.54A mg^-1の質量活性を示した.
• XASはPt-Pt結合の長さの短縮を明らかにし,ORRの活性化に寄与した.
• DFTは,ORR中間物のアドソルプション-デソルプションを改善するために,最適化されたd-バンドセンターを合理化しました.
• MEA試験では,プラチナの負荷が低下した60μg_Ptcm^-2のピークパワー密度が有意に改善されたことが示されました.
• 触媒は3万回の電圧サイクルを経て 性能の低下を最小限に抑えながら 優れた耐久性を示した.

結論:

• メソポラス Co-N-C サポートは,L1₀-PtCo ナノ粒子を効果的に安定させ,結合を防止し,耐久性を高めます.
• MS-CoNCのサポートとL1₀-PtCoクラスターの間の相乗効果は,優れたORR触媒のための電子特性を最適化します.
• この高度な触媒の設計は,高性能,低プラチナプロトン交換膜燃料電池 (PEMFC) テクノロジーへの有望な経路を提供します.
• メソポラス構造により,質量輸送と酸素拡散が促進され,性能と安定性がさらに向上します.