活性提升2倍！高性能燃料电池新成果，电弧等离子体沉积系统高效助力
发布日期：2024-12-10
在清洁能源领域，燃料电池因其高效性和环保性而广受关注，但阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢，限制了一些关键应用的拓展。近期，日本东北大学环境学院某团队的采用电弧等离子体沉积系统-APD成功制备出高性能Pt基高熵合金（HEA）催化剂，在Pt/Cantor合金的(111)晶面上引入0.1 μM三聚氰胺分子后，催化活性提升约2倍。这归因于三聚氰胺分子的精准吸附优化了表面电子结构，增强了ORR活性。与传统材料相比， “表面分子修饰+高熵合金”的设计策略，实现了催化剂性能与耐久性的双重提升。该项工作以Enhanced Oxygen Reduction Reaction Activity on the Melamine-Modified Pt-High-Entropy Alloy Single-Crystal Lattice Stacking Surface为题发表于ACS Catalysis上（2024 14 (15), 11512-11521）。
该团队利用电弧等离子体沉积系统-APD，凭借其高精度、高均匀性和灵活性等超卓特质，在原子级精度上构建了Pt/Cantor合金催化剂晶体结构，实现了催化剂性能的突破性提升。除此之外，APD系统可以在1.5 nm到6 nm范围内精确控制纳米颗粒的直径，不仅确保所制备催化剂的活性，更能实现产量的高效提升。值得一提的是，只要靶材是导电材料，APD系统就可以将其等离子体化，并且在金属/半导体材料制备过程中，通过控制腔体气氛，可以产生氧化物和氮化物薄膜。高能量等离子体可以沉积碳和相关单质体如非晶碳，纳米钻石，碳纳米管等形成新的纳米颗粒催化剂。
电弧等离子体沉积系统-APD
APD技术的关键优势：
精准控制多层结构：APD能够以原子层级精准控制材料厚度。在本研究中，APD技术成功沉积了4层单晶Pt层与10层Cantor合金，构建了稳定的“伪核壳”结构，大幅提升了催化剂的ORR活性。
纯净的真空环境：APD在超高真空（UHV）条件下运行，有效避免了外界杂质污染。这种纯净的环境为高熵合金的均匀沉积和稳定的表面结构提供了保证。
快速实现复杂多元合金：APD能够高效沉积多元合金（如Cr-Mn-Fe-Co-Ni）并精准控制组分比例，从而制备出高性能的高熵合金，为复杂合金材料的研发开辟了新路径。
高稳定性：在0.6~1.0 V的潜在循环负载下，该催化剂的晶体表面保持了超高稳定性。这不仅延长了燃料电池的使用寿命，也降低了材料的更换成本，进一步增强了APD技术在实际应用中的价值。
进展概述：
下图表明，三聚氰胺浓度对Pt/Cantor合金催化剂的ORR活性和表面稳定性有显著影响。Pt(111)晶面：当三聚氰胺浓度为0.1 μM时，能提升ORR活性并改善耐久性。Pt(110)晶面：三聚氰胺浓度较高时会对ORR活性产生负面影响，表明其在该表面的吸附可能导致催化剂的性能下降。
下图为三聚氰胺添加过程中ORR电流密度的变化。第一轮（红色）和第二轮（蓝色）LVS曲线表明，表面修饰的三聚氰胺对ORR的影响显著，且如果表面三聚氰胺预吸附，ORR活性会迅速下降。
下图是经过5000次潜在循环负载后，Pt/Cantor合金催化剂在不同条件下（有无三聚氰胺修饰）的表面微结构变化。左侧为Pt/Cantor/Pt(111)的HAADF-STEM图，右侧为Pt/Cantor/Pt(110)的HAADF-STEM图，展示了不同条件下的表面粗糙度和纳米岛结构的变化。从图中可以看出，三聚氰胺修饰后的催化剂表面保持较为平滑，相比无修饰的催化剂，其表面纳米岛的形成被有效抑制。
下图为Pt/Cantor合金催化剂的表面形态变化示意图。图中展示了不同电解液和三聚氰胺修饰下的表面结构变化。不同条件下催化剂表面的形态演变，特别是三聚氰胺的修饰在防止Pt的溶解、减少HEA（高熵合金）元素的析出方面的作用。图中的Z对比度和EDS分析结果揭示了表面修饰对防止合金元素溶解的显著作用，进一步提高了催化剂的稳定性。
电弧等离子体沉积系统-APD这一前沿技术，不仅为燃料电池催化研究开辟了新路径，也证明了精密材料制备技术对新能源领域的深远影响。我们相信，APD技术将会持续推动能源材料从实验室走向工业化，为构建绿色、可持续的未来社会贡献力量。
