Dense Platinum-Based Intermetallic Nanoparticles Confined into Hollow Mesoporous Carbon for Durable High-Power Heavy-Duty Fuel Cells

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作者
Peng Qin,Dandan Liu,Chang Li,Gongao Peng,Geoffrey I. N. Waterhouse,Ying Han,Jianglan Shui,Mingchuan Luo,Lu Shang,Shaojun Guo,Tierui Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (9): 9563-9571 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.5c19791
摘要

Heavy-duty vehicle (HDV) fuel cells require oxygen reduction reaction (ORR) catalysts with exceptional activity and durability under stringent operating conditions. However, conventional solid-solution Pt-based ORR catalysts often fail to simultaneously meet the requirements of high-power density and long-term stability, due to their inherent activity-stability trade-offs and mass-transport limitations at working conditions of fuel cells. Herein, we report a universal ligand-tuned co-reduction strategy to efficiently load Pt-based intermetallic compound (IMC) nanoparticles with high density (>50 wt% metal content and ∼3 nm particle size) and a high degree of ordering into hollow mesoporous carbon (HMC) by narrowing the reduction-potential gap between Pt and other transition metal precursors to achieve stable high-power HDV fuel cells. The dense and ordered IMCs ensure the efficient and stable ORR, while the mass-transport-favorable HMC promotes oxygen transport to the active sites. This design greatly enhances HDV fuel cell ORR activity, stability, and mass-transport efficiency. Under the HDV-relevant conditions (250 kPaabs and cathode loading of 0.15 mgPt cm–2), the optimized H-L10-PtCo/HMC catalyst achieves an exceptional current density of 1.73 A cm–2 at 0.7 V and retains 85% after 90,000 accelerated durability cycles, significantly exceeding the U.S. Department of Energy targets. The findings establish H-L10-PtCo/HMC as a next-generation cathode electrocatalyst for HDV applications.
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