论文标题：Oxygen reduction electrocatalysis: From conventional to single-atomic platinum-based catalysts for proton exchange membrane fuel cells

期刊：Frontiers in Energy

作者：Cheng YUAN, Shiming ZHANG, Jiujun ZHANG

发表时间：15 Apr 2024

DOI：10.1007/s11708-023-0907-3

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文章导读

随着能源需求的增加和环境污染的加剧，发展高效、安全的可持续能源技术迫在眉睫，质子交换膜燃料电池等电化学能源技术为可靠的选择。然而，阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢，开发优异活性和高稳定性的电催化剂势在必行。铂（Pt）基材料是最有效的选择，但它们因稀缺性、高成本和稳定性问题而受到限制。为了优化Pt的利用并提高催化性能，研究人员开始探索单原子催化剂。

从传统Pt基催化剂到新兴Pt单原子催化剂的示意图

以张久俊院士和张世明副研究员为通讯作者的综述文章“Oxygen reduction electrocatalysis: From conventional to single-atomic platinum-based catalysts for proton exchange membrane fuel cells”，对Pt基催化剂进行了深入分析，重点关注新兴的单原子催化剂类别。研究人员探讨了Pt颗粒尺寸对二氧化碳活化以及在甲烷干重整（DRM）过程中一氧化碳形成的影响。该综述通过“单原子Pt与非金属配位以及与金属合金化”的设计思路，综述了各种孤立、合金化和含纳米粒子的Pt单原子催化剂，强调了金属-载体相互作用在提高ORR活性和稳定性方面的作用。

研究表明，Pt颗粒的尺寸对催化剂性能有显著影响。特别是，Ni25/MgO催化剂展示了最佳的抗积碳性能和高功率密度，使其成为PEMFCs中使用的有前景的候选材料。综述还强调了理解ORR潜在机制对进一步提高Pt单原子催化剂性能的重要性。

该综述对PEMFC技术的发展具有深远意义。关于Pt颗粒尺寸在ORR效率中作用的见解，为先进催化剂的开发提供了明确的方向。Ni25/MgO催化剂在功率密度和耐久性方面的卓越性能，为PEMFCs的优化指明了一条有希望的道路。这项工作不仅推进了对电催化剂的科学理解，还为实现清洁能源生产和环境可持续性的目标做出了贡献。

文章信息

Oxygen reduction electrocatalysis: From conventional to single-atomic platinum-based catalysts for proton exchange membrane fuel cells

Cheng YUAN, Shiming ZHANG*, Jiujun ZHANG*

Abstract:

Platinum (Pt)-based materials are still the most efficient and practical catalysts to drive the sluggish kinetics of cathodic oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). However, their catalysis and stability performance still need to be further improved in terms of corrosion of both carbon support and Pt catalyst particles as well as Pt loading reduction. Based on the developed synthetic strategies of alloying/nanostructuring Pt particles and modifying/innovating supports in developing conventional Pt-based catalysts, Pt single-atom catalysts (Pt SACs) as the recently burgeoning hot materials with a potential to achieve the maximum utilization of Pt are comprehensively reviewed in this paper. The design thoughts and synthesis of various isolated, alloyed, and nanoparticle-contained Pt SACs are summarized. The single-atomic Pt coordinating with non-metals and alloying with metals as well as the metal-support interactions of Pt single-atoms with carbon/non-carbon supports are emphasized in terms of the ORR activity and stability of the catalysts. To advance further research and development of Pt SACs for viable implementation in PEMFCs, various technical challenges and several potential research directions are outlined.

Cite this article:

Cheng YUAN, Shiming ZHANG, Jiujun ZHANG. Oxygen reduction electrocatalysis: From conventional to single-atomic platinum-based catalysts for proton exchange membrane fuel cells. Front. Energy, 2024, 18(2): 206–222 https://doi.org/10.1007/s11708-023-0907-3

Full text：

通讯作者简介

张久俊，福州大学/上海大学教授、福州大学材料科学与工程学院院长、中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员。张博士1978年考入北京大学获物理化学学士学位和电化学硕士学位，于1988年在武汉大学获电化学博士学位。1991年至1996在加州理工学院，约克大学，和英属哥伦比亚大学从事博士后研究。随后进入工业界（Ballard Power Systems, Inc.（巴拉德燃料电池公司）直到2004年。随后转入加拿大联邦政府国家研究院担任首席科学家至2016年。张博士长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO2电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告700余篇，包括同行评议论文650余篇，编著书28本，书章47篇，被引用750000多次（H-Index为116）；以及90余篇工业研发技术报告。有100余篇论文均被引用100次以上。2014-2023年连续10被评为全球科技工程界论文高被引科学家；2014-2016年被汤森-路透评为全球最有影响力的科学家之一；2018年被国际电化学能源科学和技术大会（EEST2018）授予终身成就奖；2020年入选全球10万名材料人中的中国TOP100材料人榜单。张博士目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编、中国工程院院刊《Frontiers In Energy》期刊副主编、中国化学工业出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。

张世明，上海大学副研究员，博士生导师。入选上海市青年科技启明星、上海人才发展资金、上海领军人才后备队等人才计划，研究方向为燃料电池、锂离子电池等领域的基础研究与应用开发。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由高等教育出版社、中国工程院和上海交通大学共同主办。致力于发表能源领域具有“前沿性、创新性和交叉性”的原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。

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