DOI: 10.1002/adfm.202006771

用最少的Pt将O2迅速转化为H2O对于PEM燃料电池（PEMFCs）的广泛应用至关重要。因此，迫切需要开发一种催化剂管理方法来避免不必要的催化剂损失，同时提高Pt的利用率、催化活性和耐久性。在此，研究者通过静电纺丝法制备了一种自支撑纳米纤维电极。这种薄膜型催化剂同时包含Pt-Co合金纳米颗粒和嵌入由电纺沸石咪唑酯骨架衍生的N掺杂石墨化碳（Co-Nx）载体中的Co。值得注意的是，柔性电极可直接转移至高温PEMFC的膜电极组件中。此外，计算模型研究表明，Pt-Co和Co-Nx之间存在协同作用，因此电极表现出优异的性能。与基于墨水的传统催化剂涂覆方法相比，此方法简化了电池装置的制备和操作，Pt损失可忽略不计。

图1.PC@PFN的示意图。a，b）前体在滚筒上旋转形成纤维垫。c）在对垫子进行第一次热处理后，ZIF组分坍塌并形成金属Co纳米颗粒（活化），同时形成支撑。在最后的合成步骤中，d）添加K2PtCl4，用Co进行电置换产生合金纳米颗粒，然后进行e）第二次热处理并f）在0.5M HCl中酸洗。

图2.PC@PFN的形态。a，b）PC@PFN的SEM和c，d）TEM图像（（b）插图中的黄色虚线圆圈显示ZIF粒子表面上的孔）。e）STEM-EDS映射图像中Pt和Co的元素分布。白色虚线表示图S8“支持信息”中显示的Pt和Co的EDS线扫描。f）HAADF-STEM图像和无纳米粒子的区域（红色虚线正方形）。g）在（f）区域中获取的EELS光谱（插图显示Pt的EELS光谱，表明PFN区域中不存在Pt）。

图3.PC@PFN的电子结构。a）Pt/C、PFN和PC@PFN的XRD图谱。黑色、蓝色和红色垂直线分别表示Pt/C（PDF＃04-0802）、纯Co（PDF＃89-4307）和Pt3Co（PDF＃29-0499）反射的峰值位置。b）Pt 4f，c）Co 2p和d）N 1s的XPS光谱。

图4.电化学性能结果。a）室温下，在Ar饱和的0.1M HClO4溶液中PC@PFN和Pt/C的循环伏安图（扫描速率：50 mV s-1）。显示了AST之前（实线）和之后（虚线）的伏安图。AST条件为在O2净化的0.1M HClO4中，在0.6-1.0V（vsRHE）下，以100 mV s-1进行10000个循环。b）室温下，以1600rpm的电极转速，在O2饱和的0.1M HClO4溶液中记录的PC@PFN和Pt/C的ORR极化曲线。c）根据两种催化剂的初始质量和ECSA，AST之前和之后的质量活度（MA）和比活性（SA）。所有电极上的铂负载量为12.7 µg cm-2。在d）H2-O2和e）H2-空气流下，单电池在160℃下的燃料电池性能，显示为J-V极化和功率密度图。f）PC@PFN在H2-空气下以0.2 A cm-2进行耐久性测试的结果。PC@PFN和Pt/C的Pt负载量分别为0.55和0.60 mgPt cm-2，两种情况下阳极的Pt负载量均为1.3 mgPt cm-2。

图5.Pt3Co NPs与原子分散Co-N4界面ORR机制的计算研究。a）计算的游离Co-N4（蓝色）和Co-N4（与Pt3Co表面相距6Å（红色））上的ORR途径的自由能。b）在浸渍有Co-N4的石墨化载体上生长的Pt3Co NP的结构。c）Co-N4/6Å/Pt3Co的双壁结构以及OH在*OOH中从原始状态位移的迁移路径。d）在游离Co-N4（黑色）、Pt3Co/6Å/Co-N4（红色）和Pt3Co/7Å/Co-N4（紫色）下计算得出的OH迁移势垒与ΔdO-O的关系。

图6.PC@PFN中的ORR机制。a）反应中间体（即游离Co-N4上的H2O2）的两次e-/H+转移，然后b）另外两次e-/H+转移至迁移的H2O2，以在Pt3Co表面生成H2O。c）在Pt3Co表面上直接四次e-/H+转移H2O。d）在Pt3Co NPs（Co-N4//Pt3Co）附近的Co-N4上直接四次e-/H+转移。