活性提升2倍！高性能燃料電池新成果，電弧等離子體沉積系統(tǒng)高效助力

在清潔能源領(lǐng)域，燃料電池因其高效性和環(huán)保性而廣受關(guān)注，但陰極氧還原反應（ORR）動力學緩慢，限制了一些關(guān)鍵應用的拓展。近期，日本東北大學環(huán)境學院某團隊的采用電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD成功制備出高性能Pt基高熵合金（HEA）催化劑，在Pt/Cantor合金的(111)晶面上引入0.1 μM三聚氰胺分子后，催化活性提升約2倍。這歸因于三聚氰胺分子的精準吸附優(yōu)化了表面電子結(jié)構(gòu)，增強了ORR活性。與傳統(tǒng)材料相比， “表面分子修飾+高熵合金”的設計策略，實現(xiàn)了催化劑性能與耐久性的雙重提升。該項工作以Enhanced Oxygen Reduction Reaction Activity on the Melamine-Modified Pt-High-Entropy Alloy Single-Crystal Lattice Stacking Surface為題發(fā)表于ACS Catalysis上（2024 14 (15), 11512-11521）。

該團隊利用電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD，憑借其高精度、高均勻性和靈活性等超卓特質(zhì)，在原子級精度上構(gòu)建了Pt/Cantor合金催化劑晶體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了催化劑性能的突破性提升。除此之外，APD系統(tǒng)可以在1.5 nm到6 nm范圍內(nèi)精確控制納米顆粒的直徑，不僅確保所制備催化劑的活性，更能實現(xiàn)產(chǎn)量的高效提升。值得一提的是，只要靶材是導電材料，APD系統(tǒng)就可以將其等離子體化，并且在金屬/半導體材料制備過程中，通過控制腔體氣氛，可以產(chǎn)生氧化物和氮化物薄膜。高能量等離子體可以沉積碳和相關(guān)單質(zhì)體如非晶碳，納米鉆石，碳納米管等形成新的納米顆粒催化劑。

電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD

APD技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢：

• 精準控制多層結(jié)構(gòu)：APD能夠以原子層級精準控制材料厚度。在本研究中，APD技術(shù)成功沉積了4層單晶Pt層與10層Cantor合金，構(gòu)建了穩(wěn)定的“偽核殼”結(jié)構(gòu)，大幅提升了催化劑的ORR活性。

• 純凈的真空環(huán)境：APD在超高真空（UHV）條件下運行，有效避免了外界雜質(zhì)污染。這種純凈的環(huán)境為高熵合金的均勻沉積和穩(wěn)定的表面結(jié)構(gòu)提供了保證。

• 快速實現(xiàn)復雜多元合金：APD能夠高效沉積多元合金（如Cr-Mn-Fe-Co-Ni）并精準控制組分比例，從而制備出高性能的高熵合金，為復雜合金材料的研發(fā)開辟了新路徑。

• 高穩(wěn)定性：在0.6~1.0 V的潛在循環(huán)負載下，該催化劑的晶體表面保持了超高穩(wěn)定性。這不僅延長了燃料電池的使用壽命，也降低了材料的更換成本，進一步增強了APD技術(shù)在實際應用中的價值。

進展概述：

下圖表明，三聚氰胺濃度對Pt/Cantor合金催化劑的ORR活性和表面穩(wěn)定性有顯著影響。Pt(111)晶面：當三聚氰胺濃度為0.1 μM時，能提升ORR活性并改善耐久性。Pt(110)晶面：三聚氰胺濃度較高時會對ORR活性產(chǎn)生負面影響，表明其在該表面的吸附可能導致催化劑的性能下降。

下圖為三聚氰胺添加過程中ORR電流密度的變化。第一輪（紅色）和第二輪（藍色）LVS曲線表明，表面修飾的三聚氰胺對ORR的影響顯著，且如果表面三聚氰胺預吸附，ORR活性會迅速下降。

下圖是經(jīng)過5000次潛在循環(huán)負載后，Pt/Cantor合金催化劑在不同條件下（有無三聚氰胺修飾）的表面微結(jié)構(gòu)變化。左側(cè)為Pt/Cantor/Pt(111)的HAADF-STEM圖，右側(cè)為Pt/Cantor/Pt(110)的HAADF-STEM圖，展示了不同條件下的表面粗糙度和納米島結(jié)構(gòu)的變化。從圖中可以看出，三聚氰胺修飾后的催化劑表面保持較為平滑，相比沒有修飾的催化劑，其表面納米島的形成被有效抑制。

下圖為Pt/Cantor合金催化劑的表面形態(tài)變化示意圖。圖中展示了不同電解液和三聚氰胺修飾下的表面結(jié)構(gòu)變化。不同條件下催化劑表面的形態(tài)演變，特別是三聚氰胺的修飾在防止Pt的溶解、減少HEA（高熵合金）元素的析出方面的作用。圖中的Z對比度和EDS分析結(jié)果揭示了表面修飾對防止合金元素溶解的顯著作用，進一步提高了催化劑的穩(wěn)定性。

電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD這一前沿技術(shù)，不僅為燃料電池催化研究開辟了新路徑，也證明了精密材料制備技術(shù)對新能源領(lǐng)域的深遠影響。我們相信，APD技術(shù)將會持續(xù)推動能源材料從實驗室走向工業(yè)化，為構(gòu)建綠色、可持續(xù)的未來社會貢獻力量。