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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(shí)達(dá)到國(guó)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(shí)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(chǔ)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(dòng)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(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)有重大的意義。對(duì)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(shì)必導(dǎo)致鉑族金屬供不應(yīng)求，而由于全球鉑族金屬的儲(chǔ)量與產(chǎn)量皆極其有限，這對(duì)燃料電池的規(guī)?；瘧?yīng)用是極大的阻礙。此外，依據(jù)美國(guó)能源部估算，燃料電池規(guī)?；a(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(duì)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(chǎng)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(jìng)相開發(fā)催化活性更高同時(shí)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(shí)，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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)比。
圖3. 氫氣/空氣環(huán)境下測(cè)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(cè)試后催化劑表征，粒徑分布分析和相應(yīng)的MEA測(cè)試結(jié)果。
