Ordered Pt 3 Co Intermetallic Nanoparticles Derived from Metal–Organic Frameworks for Oxygen Reduction

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作者
Xiao Xia Wang,Sooyeon Hwang,Yung-Tin Frank Pan,Kate Chen,Yanghua He,S. Karakalos,Hanguang Zhang,Jacob S. Spendelow,Dong Su,Gang Wu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:18 (7): 4163-4171 被引量:403
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b00978
摘要

Highly ordered Pt alloy structures are proven effective to improve their catalytic activity and stability for the oxygen reduction reaction (ORR) for proton exchange membrane fuel cells. Here, we report a new approach to preparing ordered Pt 3 Co intermetallic nanoparticles through a facile thermal treatment of Pt nanoparticles supported on Co-doped metal–organic-framework (MOF)-derived carbon. In particular, the atomically dispersed Co sites, which are originally embedded into MOF-derived carbon, diffuse into Pt nanocrystals and form ordered Pt 3 Co structures. It is very crucial for the formation of the ordered Pt 3 Co to carefully control the doping content of Co into the MOFs and the heating temperatures for Co diffusion. The optimal Pt 3 Co nanoparticle catalyst has achieved significantly enhanced activity and stability, exhibiting a half-wave potential up to 0.92 V vs reversible hydrogen electrode (RHE) and only losing 12 mV after 30 000 potential cycling between 0.6 and 1.0 V. The highly ordered intermetallic structure was retained after the accelerated stress tests made evident by atomic-scale elemental mapping. Fuel cell tests further verified the high intrinsic activity of the ordered Pt 3 Co catalysts. Unlike the direct use of MOF-derived carbon supports for depositing Pt, we utilized MOF-derived carbon containing atomically dispersed Co sites as Co sources to prepare ordered Pt 3 Co intermetallic catalysts. The new synthesis approach provides an effective strategy to develop active and stable Pt alloy catalysts by leveraging the unique properties of MOFs such as 3D structures, high surface areas, and controlled nitrogen and transition metal dopings.
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