迄今为止，大多数Pt基催化剂在碱性氢氧化反应（HOR）中都面临着CO中毒问题，导致催化剂性能快速衰减。为了解决这一挑战，齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学部氢电能源材料创新团队开发了一种新型Pt单原子催化剂（PtSAMo2C-NC），通过巧妙的结构设计显著增强了催化剂的CO耐受性与电催化性能。这项研究为开发高效、稳定且抗CO中毒的HOR催化剂提供了新的思路。
在过去的几十年里，Pt基催化剂因其优异的氢氧化反应活性而被广泛应用于燃料电池领域。然而，在实际运行中，由于氢气中不可避免地存在ppm级别的CO杂质，Pt位点容易被CO毒化，导致活性显著下降。同时，Pt与传统碳载体之间的弱相互作用容易引发载体腐蚀，进一步降低催化剂的稳定性。尽管通过掺杂、合金化以及结构设计能够在一定程度上缓解Pt的CO毒化，但在实际工况下仍难以实现长效稳定的催化性能。
为此，研究团队采用金属有机框架（MOF）衍生策略，通过高温热解在Mo2C纳米颗粒表面锚定Pt单原子，并将其嵌入氮掺杂多孔碳基体中。该催化剂通过以下几方面显著增强了CO耐受性和催化稳定性。
①分子捕获效应
Mo2C作为载体，表现出比Pt更强的CO吸附能力。在反应过程中，Mo2C优先捕获CO分子，从而保护Pt活性位点免受CO毒化，有效提高催化剂在CO环境下的稳定性。
②空心蛋黄-蛋壳结构
通过Zn和Mo在高温热解过程中的成分扩散差异，催化剂形成了独特的空心蛋黄-蛋壳（yolk-shell）结构。这种结构显著增强了材料的电子传输能力和电化学稳定性，有效提升了催化剂在高电流密度下的稳定性。
这项研究提出了一种基于MOF衍生Mo2C的催化剂设计策略，通过引入具有强CO吸附能力的载体，显著提升了催化剂的CO耐受性与电催化稳定性。这一设计思路为开发新一代高效、稳定且耐CO毒化的电催化剂提供了新的指导，有望在氢燃料电池及其他能源转化领域发挥重要作用。
HOR相关测试
实验数据显示，在50 mV（vs. RHE）电位下，PtSAMo2C-NC的质量归一化活性高达2.15 A/mg Pt，是商业40% Pt/C催化剂的18倍。此外，在CO环境下，该催化剂表现出卓越的抗毒化能力，有效延长了催化剂寿命。
DFT机理研究
密度泛函理论（DFT）计算结果表明，Mo2C与Pt之间的强电子相互作用显著降低了Pt的电子密度，并使Pt的d带中心远离费米能级。这一效应减弱了Pt对CO的吸附强度，同时优化了Pt位点对H和OH的吸附能，从而提高了催化剂的HOR性能。
上述成果以“Enhancing CO Tolerance via Molecular Trapping Effect: Single-Atom Pt Anchored on Mo2C for Efficient Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction”为题，发表在国际知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（IF: 9.4）上。齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部2023级硕士研究生杨晓坤为文章的第一作者，闫理停副教授和赵学波教授为文章的共同通讯作者。
本研究得到国家自然科学基金、山东省高等学校青年创新团队发展计划、山东省自然科学基金、济南市“新高校20条”、齐鲁工业大学（山东省科学院）高层次人才启动基金等项目支持。