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近日，Nature Nanotechnology上發(fā)表了一篇題為“Graphene-nanopocket-encaged PtCo nanocatalysts for highly durable fuel cell operation under demanding ultralow-Pt-loading conditions”的研究成果。該工作主要由北京理工大學(xué)趙紫鵬教授、加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）黃昱教授等研究人員共同完成。
該成果報(bào)道了一種由石墨烯納米袋保護(hù)的PtCo納米催化劑并應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池作為陰極催化劑，由此實(shí)現(xiàn)在極具挑戰(zhàn)性的超低鉑載量條件下燃料電池功率密度及耐久性同時達(dá)到國際先進(jìn)水平，預(yù)期應(yīng)用此報(bào)道催化劑可將燃料電池汽車所需鉑族金屬（PGM）量降至與內(nèi)燃機(jī)汽車尾氣處理所需相當(dāng)?shù)乃?，這意味著大幅降低燃料電池所需鉑族金屬量，在規(guī)模化生產(chǎn)時顯著降低成本，并使其大規(guī)模應(yīng)用不再受限于鉑族金屬極有限的儲量與產(chǎn)量，為進(jìn)一步推進(jìn)燃料電池大規(guī)模應(yīng)用鋪墊了道路。本文所報(bào)道的工作將是質(zhì)子交換膜燃料電池大規(guī)模推廣的關(guān)鍵一步，為該領(lǐng)域重要突破。
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）作為可替代內(nèi)燃機(jī)的綠色動力裝置理論上可不依賴含碳化石能源，因此PEMFCs的發(fā)展與應(yīng)用對實(shí)現(xiàn)國家“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)有重大的意義。對于目前商用的PEMFCs來說，鉑族金屬是不可替代的催化劑材料，尤其是用來加速陰極緩慢的氧還原反應(yīng)（ORR）。鉑族金屬同樣被內(nèi)燃機(jī)汽車所需要并用于尾氣催化處理。目前汽車工業(yè)需求占全球近一半的鉑族金屬產(chǎn)量，而目前燃料電池汽車所需的鉑族金屬5-10倍于內(nèi)燃機(jī)汽車，以目前的燃料電池鉑族金屬需求量，燃料電池汽車替代內(nèi)燃機(jī)汽車勢必導(dǎo)致鉑族金屬供不應(yīng)求，而由于全球鉑族金屬的儲量與產(chǎn)量皆極其有限，這對燃料電池的規(guī)模化應(yīng)用是極大的阻礙。此外，依據(jù)美國能源部估算，燃料電池規(guī)模化生產(chǎn)后鉑族金屬將是主要的成本（占總成本約40%）。因此，在不影響性能的情況下減少商用燃料電池的鉑族金屬用量對燃料電池的規(guī)?；瘧?yīng)用至關(guān)重要，也有助于早日實(shí)現(xiàn)“碳中和”發(fā)展目標(biāo)。然而在此前的應(yīng)用場景中，鉑族金屬負(fù)載量的降低往往帶來燃料電池裝置性能的犧牲以及穩(wěn)定性差的問題，這促使全球范圍的科研工作者競相開發(fā)催化活性更高同時也更穩(wěn)定的催化劑，以實(shí)現(xiàn)將燃料電池汽車鉑族金屬需求量降至內(nèi)燃機(jī)汽車水平。
作者設(shè)計(jì)和合成了一種由石墨烯納米口袋保護(hù)的超細(xì)小PtCo納米催化劑（圖1）。通過這種設(shè)計(jì)，將超細(xì)小的納米催化劑保護(hù)在石墨烯納米口袋中在確保電化學(xué)活性的同時，還可以限制催化劑的聚集，并且緩解了催化劑的氧化溶解、Ostwald熟化過程。即使在十分苛刻的超低PGM負(fù)載的情況下，這種特殊的結(jié)構(gòu)依舊可以確保優(yōu)異的活性及卓越的穩(wěn)定性。應(yīng)用所得催化劑于燃料電池膜電極（MEA），作為陰極催化劑的綜合性能為兼顧質(zhì)量活性與穩(wěn)定性的最好催化劑之一（圖2）。應(yīng)用PtCo@Gnp的膜電極的質(zhì)量歸一化額定功率可達(dá)13.2 W?mgPGM-1，并且耐久性達(dá)到國際先進(jìn)水平（圖3），有望將一輛90 kW燃料電池汽車所需的鉑族金屬大幅降低至6.8克左右，接近內(nèi)燃機(jī)汽車所需的鉑族金屬用量水平。對比商業(yè)Pt/C及c-PtCo/C催化劑，PtCo@Gnp優(yōu)異的穩(wěn)定性主要源于其對納米催化劑顆粒尺寸的保持（圖4）。
圖1. 保護(hù)性納米口袋設(shè)計(jì)示意圖和PtCo@Gnp表征。
圖2. Pt/C，c-PtCo/C和PtCo@Gnp催化劑的MEA性能和文獻(xiàn)中具有代表性的催化劑對比。
圖3. 氫氣/空氣環(huán)境下測試的超低PGM負(fù)載量（陰極和陽極總量為0.07 mgPGM cm-2）下的MEA極化曲線。
圖4 加速老化測試后催化劑表征，粒徑分布分析和相應(yīng)的MEA測試結(jié)果。
