Integrating single Ni site and PtNi alloy on two-dimensional porous carbon nanosheet for efficient catalysis in fuel cell

纳米片 催化作用 材料科学 合金 多孔性 燃料电池 碳纤维 纳米技术 化学工程 冶金 化学 复合材料 工程类 有机化学 复合数
作者
Fangyao Zhou,Yaner Ruan,Feng Li,Lin Tian,Mengzhao Zhu,Wenan Tie,Xiaoyan Tian,Bo Wang,Peigen Liu,Jie Xu,Xiaoping Gao,Peng Li,Huang Zhou,Yuen Wu
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:17 (8): 6916-6921 被引量:13
标识
DOI:10.1007/s12274-024-6692-4
摘要

The performance of catalyst depends on the intrinsic activity of active sites and the structural characteristics of the support. Here, we simultaneously integrate single nickel (Ni) sites and platinum-nickel (PtNi) alloy nanoparticles (NPs) on a two-dimensional (2D) porous carbon nanosheet, demonstrating remarkable catalytic performance in the oxygen reduction reaction (ORR). The single Ni sites can activate the oxygen molecules into key oxygen-containing intermediate that is further efficiently transferred to the adjacent PtNi alloy NPs and rapidly reduced to H2O, which establishes a relay catalysis between active sites. The porous structure on the carbon nanosheet support promotes the transfer of active intermediates between these active sites, which assists the relay catalysis by improving mass diffusion. Remarkably, the obtained catalyst demonstrates a half-wave potential of up to 0.942 V, a high mass activity of 0.54 A·mgPt−1, and negligible decay of activity after 30,000 cycles, which are all superior to the commercial Pt/C catalysts with comparable loading of Pt. The theoretical calculation results reveal that the obtained catalyst with defect structure of carbon support presents enhanced relay catalytic effect of PtNi alloy NPs and single Ni sites, ultimately realizing improved catalytic performance. This work provides valuable inspiration for developing low platinum loading catalyst, integrating single atoms and alloy with outstanding performance in fuel cell.
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