多孔钙钛矿锰氧化物负载纳米铂:高效氧还原/氧析出双功能电催化剂

燃料电池及金属空气电池等电化学储能器件的性能很大程度上受制于阴极氧还原(氧析出)反应,铂基贵金属催化剂被广泛用于促进其动力学,其中商品化的碳负载铂纳米催化剂(Pt/C)最具代表性。然而,Pt/C催化剂使用过程中,碳基底容易被腐蚀,进而导致铂纳米颗粒团聚、电化学活性比表面积急剧下降;另一方面,Pt价格昂贵、资源稀缺,极大地限制了此类催化材料的规模应用。因此,寻找低铂载量、高活性和高稳定性的电催化材料成为重要课题。

针对Pt/C催化剂中碳载体易被腐蚀、稳定性差这一关键问题,过渡金属氧化物被研究用来替代碳载体负载铂纳米颗粒。其中,锰基氧化物特别是复合锰氧化物由于价格低廉、储量丰富、环境友好以及自身具有氧催化性能而受到关注。最近,南开大学科研人员设计开发了一种新型氢化Pt纳米簇/多孔CaMnO3复合电催化材料,相比于普通Pt/C催化剂,在碱性体系中,对氧还原催化反应表现出5倍的质量活性、11倍的比表面积活性以及更佳的稳定性,同时对氧析出反应性能优异。研究表明,该材料的高活性源于以下因素:第一,Pt与CaMnO3的协同效应,优化了催化剂表面对含氧物种的吸脱附;第二,高分散和小粒径的铂纳米簇有利于氧分子的活化与解离;第三,氢化处理在氧化物中引入了氧缺陷,不仅提高了材料的电导率,而且导致Mn的混合价态,促进电催化过程。该材料优异的催化稳定性可归因于两个方面:首先,钙钛矿型CaMnO3载体自身在碱性溶液中具有更好的化学稳定性以及抗腐蚀能力;其次,多孔结构的限域作用有效阻止了Pt纳米簇的团聚。研究结果有助于促进低铂载量、高活性、长寿命复合电催化材料的研制。