追求高功率密度和低鉑催化劑負載量是開發高性能燃料電池（FC）的巨大挑戰。在此，提出了一種新型超級燃料電池（SFC），通過比電雙層電容（EDLC）+氧還原反應（ORR）并聯放電實現超高輸出功率，這是使用新制備的催化劑，單原子鉑在雙金屬金屬有機骨架（MOF）衍生的中空多孔碳納米棒（Pt
SA/HPCNR）。基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC具有比20% Pt/C基FC高3.4倍的瞬態比功率密度和13.3倍長的放電時間，并且具有獨特的原位自充電和儲能能力。 X射線吸收精細結構、像差校正高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡和密度泛函理論計算表明，錨定在碳缺陷上的Pt單原子的協同效應顯著提高了其電子轉移、ORR催化活性、耐用性和倍率性能，實現快速的“ORR+EDLC”并行放電機制，克服傳統FC緩慢的ORR過程。有前景的 SFC 開辟了一條提高超低 Pt 負載量 FC 功率密度的新途徑。
Fig 1. 基于20% Pt作為空氣陰極的常規燃料電池和基于Pt
SA-1.74/HPCNR作為空氣陰極、具有“ORR+EDLC”并聯放電和自充電能力的超級燃料電池在不同放電場景下的示意圖。
Fig 2. 20% Pt/C基FC和Pt
SA-1.74/HPCNR基SFC的脈沖放電曲線，其中施加了a）10、b）300和C）500 mA cm
−2的脈沖電流密度。d） 20% Pt/C基FC和Pt
SA-1.74/HPCNR基SFC在不同脈沖電流下的瞬態功率比較。FC和SFC在e）1、f）10和g）200 mA cm
−2時的恒電流放電曲線。（h） 20% Pt/C基FC和Pt
SA-1.74/HPCNR基SFC在1–400 mA cm
−2的不同時間的能量比較。i） 基于20% Pt/C的FC中的放電機制和基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC系統中的“ORR+EDLC”平行放電機制的示意圖。
Fig 3. a） 20 mA cm
−2條件下50次循環的GCD曲線。b） 在20 mA cm
−2下充電50次循環后，基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC的放電曲線。c） 基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC在20 mA cm
−2下自充電50次循環后的長期穩定性測試。d） 基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC在20 mA cm
−2下自充電50次循環后的放電曲線。e） 基于Pt
SA-1.74/HPCNR的SFC系統中的自充電機制示意圖。
Fig 4. a） 固定在高容量雙金屬MOF衍生的中空多孔碳納米棒（Pt
SA-m/HPCNR）復合材料上的Pt
-SAs的合成路線示意圖。TEM、b）In
1Zn
2-HCNR-4、c）HPCNR-4和d）Pt
SA-1.74/HPCNR材料的相應HR-TEM圖像和SAED圖案。e） HAADF-STEM圖像，f）AC-HAADF-SEM圖像，以及g）Pt
SA-1.74/HPCNR材料的放大圖像。h） EDX光譜和i）Pt
SA-1.74/HPCNR材料的相應EDX元素映射圖像。
Fig 5. Pt
SA-1.74/HPCNR催化劑中原子的電子態。a） Pt
SA-1.74/HPCNR的高分辨率Pt 4f XPS光譜。b）對于Pt箔、PtO
2和Pt
SA-1.74-HPCNR，XANES光譜和c）k
3加權Pt L
3邊緣的FTEXAFS光譜。d）Pt
SA-1.74/HPCNR、e）Pt箔和f）PtO
2的k
3加權的Pt L
3邊WT-EXAFS輪廓圖。
Fig 6. HPCNR-4、Pt
SA-1.74/HPCNR和20%Pt/C電極在a）1A g
−1和b）100 A g
−1下的GCD曲線。c） HPCNR-4、Pt
SA-0.92/HPCNR、Pt
SA-1.74/HPCNR和Pt
NP-3.59/HPCNR以及20% Pt/C電極的倍率性能，以及報告文獻中作為SC電極的相關碳材料的比電容的比較。d） HPCNR-4和Pt
SA-1.74/HPCNR電極在100 000次循環期間在100 A g
−1下的長循環性能，插入d）100 000次周期前后100 mV s
−1的CV曲線。（e） 所獲得的HPCNR-4、Pt
SA-1.74/HPCNR和20% Pt/C電催化劑在N
2-/O
2飽和的0.1 M KOH電解質中的CV圖，具有10 mV s
−1。f） 在5 mV s
−1的掃描速率下，1600 rpm下RRDE測試的LSV圖，插入HPCNR-4、Pt
SA-m/HPCNR和20% Pt/C ORR催化劑的f）Tafel曲線。g） 所制備的催化劑和20% Pt/C在0.9V下相對于RHE的質量活性以及相關文獻比較了相關Pt基催化劑的質量活性。（h） 20小時的穩定性評估。
Fig 7. a） 優化的結構和b）Pt-C
2/G、Pt-C
3/G和Pt-C
4/G的電荷密度差。黃色區域表示電荷增加，藍色區域表示電荷損失。c） 原始G、Pt-C
2/G、Pt-C
3/G和Pt-C
4/G的組合投影態密度（PDOS）。d） 吸附自由能(△G
ads）在Pt-C
2/G、Pt-C
3/G和Pt-C
4/G上的不同ORR中間體OOH*、O*和OH*。Pt-C
2/G、Pt-C
3/G和Pt-C
4/G在e）0V和1.23V以及f）0.84V下不同ORR中間體OOH*、O*和OH*的自由能圖。原子顏色-灰色：C，葡萄酒：Pt，粉紅色：O，白色：H。
相關研究工作由北京化工大學Junqing Pan 課題組于2023年在線發表在《Adv. Mater.》期刊上，Bimetallic-MOF Derived Carbon with Single Pt Anchored C4 Atomic Group Constructing Super Fuel Cell with Ultrahigh Power Density And Self-change Ability.原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202308989
轉自《石墨烯研究》公眾號
