Dynamic Vibration-Coupled Energy Transfer for Boosting ORR Catalysts in Fuel Cells

放热反应 吸热过程 化学 催化作用 吸附 解吸 化学工程 能量转换 传质 活化能 动能 燃烧 反应机理 氧气 拉曼光谱 傅里叶变换红外光谱
作者
Chenjia Liang,Jun Yao,Xiaoxia Hou,Lei Li,Ningze Gao,Haoyu Lu,Ruiyao Zhao,Xu Guo,Nianhua Xue,Luming Peng,Xu Guo,Yan Zhu,Weiping Ding
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c15936
摘要

We demonstrate here a promising yet challenging method to produce highly active catalysts by utilizing exothermic adsorption to spur endothermic desorption steps through dynamic surface energy transfer. Taking the oxygen reduction reaction (ORR) catalyst as an example, we implement dynamically vibration-coupled energy transfer (VCET) by anchoring flexible tert-butylsulfonylcalix[4]arene (tBuC[4]A) on PtCo NPs, holding the exothermic energy of oxygen adsorption at the surface for a prolonged time to compensate the endothermic process, e.g., OH* → H2O, on adjacent Pt sites. The above process is summarized as "adsorption-spurring-desorption". Based on the machine learning model, theoretical simulations reveal how the vibrational excitation of tBuC[4]A (0.126 eV per molecule), triggered by O2 adsorption on PtCo and transferred by phonon-phonon scattering, resonantly weakens OH* binding, slashing desorption barriers by 51% (0.375 → 0.183 eV) and achieving 13.2% energy utilization. This dynamic energy management significantly promotes the performance of the catalyst and the fuel cell: 1.03 A mgPt-1 mass activity and 2.07 W cm-2 peak output power under 0.1 mgPt cm-2 loading, surpassing DOE targets. Characterization results of in situ FTIR and Raman spectroscopy and kinetic measurements fully support the mechanism and suggest the coupling of the activation of the O-O bond and optimized OH* desorption. The VCET mechanism establishes a blueprint for dynamic promotion beyond conventional strategies to develop high-performance heterogeneous catalysts.
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