气候变化和化石燃料短缺这两个问题是能源研究的两大主要挑战。生产清洁燃料氢的聚合物电解质燃料电池(PEFC)是应对这两个挑战的最有希望的选择之一。

用于改善燃料电池中氧还原反应的新型铂纳米团簇

然而，PEFC的制造和运行成本很高，主要是因为它们需要大量的铂(Pt)。此外，地壳中铂的含量是有限的，这意味着要使PEFC真正可持续发展，必须减少其使用的铂量。

目前，PEFC使用由负载在炭黑(PtNPs/CB)上的Pt纳米颗粒(NPs)制成的阴极(正极)。然而，最近的研究表明，Pt纳米团簇(PtNCs)比PtNPs具有更高的氧还原反应(ORR)活性，即它们具有更高的性能。迄今为止，PtNCs高ORR活性的原因尚不清楚。

最近，由东京理科大学(TUS)教授YuichiNegishi领导的研究小组开发了一种新型PtNC，其ORR活性比商业PtNPs高2.1倍，并阐明了其高活性的来源。

“在我们的研究中，我们专注于源自Pt、碳羧酸盐(CO)和三苯基膦(PPh3)碱基的PtNC，即[Pt17(CO)12(PPh3)8]z(其中z=1+或2+)。我们最近表明，与其他PtNC不同，这些PtNC在空气中是稳定的。然后我们进行了密度泛函理论(DFT)计算以揭示其显着活性的原因，”Negishi教授说。

研究团队还包括东京理科大学初级副教授TokuhisaKawawaki、北海道大学KenjiIida副教授、日本分子科学研究所ToshihikoYokoyama教授和澳大利亚阿德莱德大学GregoryF.Metha教授。该研究已于2023年3月24日发表在《纳米尺度》杂志上。

研究人员通过将[Pt17(CO)12(PPh3)8]z吸附到炭黑上，然后进行煅烧反应来制备PtNC。然后，他们使用一种称为线性扫描伏安法的技术将其性能与传统的PtNPs/CB进行了比较。他们发现新型PtNC的性能高于PtNPs/CB。值得注意的是，在0.9伏时，PtNC的活性是PtNP/CB的2.1倍。他们还发现，增加电极中的Pt负载会导致其质量活性增加，并且PTNC的耐久性高于商业PTNPs/CB。

接下来，为了阐明其高活性的起源，他们进行了DFT计算。“我们的计算表明，新型PtNC的高ORR活性是由于表面Pt原子，其具有适合ORR进程的电子结构，”Negishi教授透露道。

这些发现可以作为设计未来用于PEFC的高活性、高性能Pt催化剂的指南，这将使我们在缓解气候变化和化石燃料危机方面更进一步。