【原】原子级分散金属催化剂的开发

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摘   要：在燃料电池的工作过程中，石墨烯上的铂催化剂粒子会脱落、凝聚，导致催化剂性能下降，针对该问题，本文中通过在石墨烯晶格中置换导入杂质元素，并形成铂原子陷阱点，从而抑制铂的脱落和凝聚，并且简单阐明了轻元素置换石墨烯上的铂、铁原子的吸附与扩散特性。

关键字：燃料电池电极催化剂、原子级分散金属催化剂、石墨烯、轻元素置换、铂原子吸附与扩散特性、氢气氛

实现氢能相关材料对贵金属需求的减少和寿命的延长

目前，燃料电池电极催化剂使用储量少且价格昂贵的铂。降低铂(Pt)使用量的方法之一是使铂催化剂粒子微小化。具有蜂巢状六边形网格结构、1个原子厚度的碳基材料石墨烯可以作为微小化后的催化剂粒子载体的候选材料。石墨烯作为载体材料具有优异性质，例如较大的比表面积、高导电性和高化学机械强度等。

(图片均来自网络)

但是已知，在燃料电池的工作过程中，石墨烯上的铂催化剂粒子会脱落、凝聚，导致催化剂性能下降。针对该问题，在本研究中（如图所示），通过在石墨烯晶格中置换导入杂质元素，并形成铂原子陷阱点，从而抑制铂的脱落和凝聚，目标是开发一种原子级分散铂催化剂。

另外，关于作为储氢材料的铁簇和作为有机氢化物（脱）氢催化剂的铜，也正在开发利用轻元素置换石墨烯载体的新型材料。

关于轻元素置换石墨烯上的铂、铁原子的吸附与扩散特性以及铂亚纳米簇的氧还原反应(ORR)催化活性的结果，已以日语论文的形式刊载于日本表面真空学会期刊《表面与真空》。

阐明轻元素置换石墨烯上的铂原子吸附与扩散特性

详情请参阅S. Hasegawa et al., The Journal of Physical Chemistry C, Vol. 121, pp.17787-17795 (2017)。

利用第一性原理电子结构计算，阐明了石墨烯中置换导入的轻元素对铂原子吸附与扩散特性的影响。对7种轻元素进行了系统性研究，并明确了以下几点。

• 碳和氮比较容易置换导入石墨烯中。

• 用于置换石墨烯-铂原子之间化学键的电子取决于置换元素。

• 置换石墨烯-铂原子之间形成有共价键。

• 氧、铝、硅、磷对凝集和脱离的抑制效果明显。

图 轻元素置换石墨烯抑制铂原子的扩散

阐明轻元素置换石墨烯上的铁原子吸附与扩散特性

利用第一性原理电子结构计算，阐明了石墨烯中置换导入的轻元素对铁原子吸附与扩散特性的影响。对6种轻元素进行了系统性研究，并明确了以下几点。

• 用于置换石墨烯-铂原子之间化学键的电子取决于置换元素。

• 在置换石墨烯-铁原子之间，通过伴随电子移动的静电相互作用形成化学键。

• 硼、氧、硅、磷对凝集和脱离的抑制效果明显。

阐明氢气氛对轻元素置换石墨烯上的铂原子吸附与扩散特性的影响

详情请参阅S. Hasegawa et al., ACS Omega, 4 (2019) 6573。

假设燃料电池的工作环境会促进催化剂的劣化。在本研究中，假设使用阳极，利用第一性原理电子结构计算阐明了氢气氛对铂原子脱离与扩散特性的影响。对6种轻元素置换石墨烯载体进行了系统性研究，并明确了以下几点。

• 氢原子或氢分子的吸附会促进铂原子从轻元素置换石墨烯载体中脱落。

• 氢分子吸附时，氢分子是否解离取决于置换元素。

• 氢原子或氢分子的吸附会促进铂原子的扩散，但在铂-氢原子的情况下，也可能会增加扩散屏障。

• 即使在氢环境下，氧、硅、磷和原子空位也能保持抑制凝集和脱离的效果。

图 铂原子在氢气氛下的扩散与凝集行为

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翻译：肖永红

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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