on style="font-size: 15px; letter-spacing: 1.5px; white-space: normal; text-align: center; margin: 10px 0px 5px; justify-content: center; box-sizing: border-box;">First published: 20 Oct 2020作者：任雪峰*，王怡然，刘安敏，张志宏，吕前远，刘碧荷随着传统能源的不断消耗，能源与环境问题日益严重，对于新型能源的需求更加迫切。自从燃料电池的概念被提出以来，人们对燃料电池这种环境友好的新能源器件与设备的研究日益增多。目前，限制燃料电池大范围推广商业化的因素仍较为显著，尤其是阴极反应的动力学问题。开发高性能催化剂用于燃料电池阴极反应有助于改善其动力学过程存在的问题，其中Pt基催化剂由于其较高的活性成为燃料电池重要的阴极催化剂。但由于存在Pt的高成本、碳载体的腐蚀、Pt/C催化剂碳载体上Pt颗粒的团聚或迁移以及Pt颗粒溶解脱落于电解液中的一系列问题，导致Pt/C催化剂的活性降低，从而限制其推广应用。因此，开展Pt/C催化剂的合理设计，以进一步改善其催化活性和稳定性，并深入研究其反应机理具有重要意义。近日，大连理工大学任雪峰博士在英国皇家化学会材料领域著名学术期刊Journal of Materials Chemistry A (影响因子：11.301)上发表题目为“Current progress and performance improvement of Pt/C catalysts for fuel cells”的综述文章，全面系统地总结了Pt/C催化剂在燃料电池中应用的最新进展，包括Pt/C催化剂自身构型的研究、对改善催化剂本体的研究及对改善催化剂载体的研究。图1：具有核-壳结构的超薄Pt基纳米材料和多孔Pt基纳米材料通过减小Pt颗粒的直径，提升Pt 的分散度，增大其比表面积，可以减少催化剂的用量并改善催化剂的性能。本文详细总结了Pt基催化剂在核/壳结构、纳米线、纳米纤维及纳米管阵列构型下的催化活性和稳定性。
图3：Pt和贵金属合金催化剂（PtAu、PtRu、PtPd）图4：Pt和非贵金属合金催化剂（PtCu、PtCo、PtNi）图5：无Pt催化剂（M-N-C催化剂：Fe/N/C、Mn/N/C）
通过对催化剂本体组成进行调控，将Pt与其他金属合金化并控制Pt基纳米颗粒的结构，是减少Pt用量和改善催化性能的重要方法。本文对Pt与贵金属、非贵金属合金化和无铂催化剂进行了详细的总结和对比。图6：非碳基催化剂载体（金属氧化物：CeOx、TiO2、WOx、SnOx）
通过对催化剂载体进行改性，可以有效改善Pt基催化剂结块、聚结或脱落等问题，从而抑制由于上述问题导致的催化剂性能降低、稳定性变差等问题。通过选取适宜的碳载体和非碳载体，可以有效降低上述问题的发生。同时，可有效利用载体自身的结构特点，极大地提高催化剂活性中心的分散度及导电性等，从而显著提升催化剂的性能。本文详细总结了几种重要碳载体（如：炭黑、石墨烯、碳纳米管）和非碳载体（如：金属氧化物）对催化剂性能的影响。本文综述了为实现PEMFC的大规模应用，需从两个方面来解决PEMFC成本高、功率密度不足和稳定性不足的问题。首先是改进催化剂性能，例如Pt-M合金以及无铂催化剂的开发进展。第二是改进催化剂载体，包括使用碳和非碳载体的最新进展。基于各种合理和可控制的策略（几何和电子结构）已经为ORR准备了许多有前途的催化材料，但在Pt基催化剂的开发中仍然存在一些困难，例如载体材料的开发和对Pt的进一步深入研究。此外，提出了潜在的ORR碳基催化剂的个人展望：（1）催化剂的催化机理和活性位点的研究是明确ORR的关键问题。因此，利用计算化学等方法研究催化剂的活性位点可以更好地指导实验。（2）研究发现，催化剂的尺寸对催化剂的活性和稳定性有很大的影响。大的比表面积，多孔结构与缺陷之间的协同效应可以提升ORR性能。在电极连续工作期间，催化剂可能会发生颗粒分离、聚集、载体腐蚀和奥斯特瓦尔德（Ostwald）熟化等问题，从而导致催化剂活性降低和较差的稳定性。另外，不同的载体也影响催化剂颗粒的粒度分布，因此，制备具有大比表面积，稳定且较多缺陷的催化剂颗粒是非常重要的。Current progress and performance improvement of Pt/C catalysts for fuel cellshttps://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta08312g#!divAbstract2016年获哈尔滨工业大学化学工程与技术专业博士学位，现为大连理工大学海洋科学与技术学院讲师/硕士研究生导师。研究方向主要包括燃料电池催化剂、环境催化材料的设计制备与应用研究，金属材料表面改性等。主持及参与多项国家自然科学基金项目、辽宁省自然科学基金项目。相关成果发表在Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, ChemSusChem, Nanoscale，Electrochimica Acta, Sustainable Energy & Fuels等高水平国际期刊上。就读于大连理工大学海洋科学与技术学院，师从任雪峰博士。研究方向为铂基催化剂的制备及其氧还原性能研究。
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