PtCoNiFeCu High-entropy Intermetallics Supported on Petroleum Residue-derived Carbon for Enhanced Proton Exchange Membrane Fuel Cell Performance

doi:10.7503/cjcu20260090

Abstract

Abstract:

Using petroleum residue as a precursor， a π-electron-rich nitrogen-doped porous carbon（NPPC） was synthesized and supported to anchor PtCoNiFeCu high-entropy intermetallics（HEI） for the oxygen reduction reaction（ORR）. Benefiting from the strong d-π interaction between NPPC and Pt， coupled with the physical confinement effect of the support， the average nanoparticle size was precisely restricted to 2.30 nm， maximizing the exposure of active sites. Concurrently， this interaction induces a significant compressive lattice strain（2.3%） within the alloy structure， optimizing the metal d-orbital charge distribution and tuning the adsorption energies of oxygen intermediates， which significantly enhances the ORR performance. Experimental results demonstrate that the as-prepared PtCoNiFeCu HEI/NPPC catalyst delivers a superior mass activity（MA） of 2.07 A/mg_Pt， approximately 14-fold higher than that of commercial Pt/C. Remarkably， the catalyst retains 87% of its initial MA after 30000 accelerated durability test（ADT） cycles. Furthermore， the catalyst achieves a peak power density of 1.03 W/cm² in H₂-air proton exchange membrane fuel cells（PEMFCs） at a low cathodic Pt loading of 0.1 mg/cm²， with a power loss of only 10% after 30000 cycles. This work provides a simple and effective strategy for the development of highly active and durable catalysts for PEMFCs through strategic support engineering.

Key words: Porous carbon support, Lattice strain, High-entropy intermetallic compound, Proton exchange membrane fuel cell

CLC Number:

O646

TrendMD:

LI Youkang, LI Jiahui, QI Yuetong, CHEN Xu. PtCoNiFeCu High-entropy Intermetallics Supported on Petroleum Residue-derived Carbon for Enhanced Proton Exchange Membrane Fuel Cell Performance[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(8): 20260090.

Figures/Tables 11

References 30

[1]	Yang C. L.， Wang L. N.， Yin P.， Liu J.， Chen M. X.， Yan Q. Q.， Wang Z. S.， Xu S. L.， Chu S. Q.， Cui C.， Science， 2021， 374（6566）， 459—464
[2]	Jiao K.， Xuan J.， Du Q.， Bao Z.， Xie B.， Wang B.， Zhao Y.， Fan L.， Wang H.， Hou Z.， Nature， 2021， 595（7867）， 361—369
[3]	Li L.， Tang X.， Wu B.， Huang B.， Yuan K.， Chen Y.， Adv. Mater.， 2024， 36（13）， 2308326
[4]	Luo B.， Zhou F.， Pan M.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（4）， 20210853
	罗昪，周芬，潘牧. 高等学校化学学报， 2022， 43（4）， 20210853
[5]	Zhao Q.， Li S.， Chen K. W.， Wen Z. Y.， Zhang X. Y.， Yi S. J.， Pan M.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（6）， 20230016
	赵倩，李赏，程矿伟，文智勇，张晓宇，易少杰，潘牧. 高等学校化学学报， 2023， 44（6）， 20230016
[6]	Gui R.， Cheng H.， Wang M.， Tai X.， Zhang H.， Liu C.， Cao X.， Chen C.， Ge M.， Wang H.， Adv Mater.， 2024， 36（11）， 2307661
[7]	Wang E.， Luo L.， Feng Y.， Wu A.， Li H.， Luo X.， Guo Y.， Tan Z.， Zhu F.， Yan X.， J. Energy Chem.， 2024， 93， 157—165
[8]	Hu S. N.， Xu W. C.， Tian N.， Chen S. M.， Li M. Y.， Shen J. F.， Lin J. X.， Guo S. L.， Huang X. Y.， Zhou Z. Y.， Energy Environ. Sci.， 2024， 17（9）， 3099—3111
[9]	Li J.， Sharma S.， Liu X.， Pan Y. T.， Spendelow J. S.， Chi M.， Jia Y.， Zhang P.， Cullen D. A.， Xi Z.， Joule， 2019， 3（1）， 124—135
[10]	Li J.， Sharma S.， Wei K.， Chen Z.， Morris D.， Lin H.， Zeng C.， Chi M.， Yin Z.， Muzzio M.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（45）， 19209—19216
[11]	Niu M.， Guan Q.， Yuan W.， Guo C. X.， Cao D.， Li C. M.， Zhang L. Y.， Zhao X. S.， Chem. Eng. J.， 2025， 503， 158465
[12]	Wang Y.， Gong N.， Liu H.， Ma W.， Hippalgaonkar K.， Liu Z.， Huang Y.， Adv. Mater.， 2023， 35（28）， 2302067
[13]	Luan T.， Zhao J.， Gao T.， Wang F.， Xu H.， Song Z.， Luo L.， Gong S.， Liu B.， Adv. Funct. Mater.， 2025， 35（44）， 2506851
[14]	Qin P.， Liu D.， Li C.， Peng G.， Waterhouse G. I.， Han Y.， Shui J.， Luo M.， Shang L.， Guo S.， J. Am. Chem. Soc.， 2026， 148（9）， 9563—9571
[15]	Lu J.， Luo L.， Yin S.， Hasan S. W.， Tsiakaras P.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2019， 7（19）， 16209—16214
[16]	Qiu Y.， Rao Y.， Zheng Y.， Hu H.， Zhang W.， Guo X.， InfoMat， 2022， 4（9）， e12326
[17]	Zhang J.， Liang P.， Xu X.， Wang R.， Liu S.， Wang C.， Liu B.， Luo L.， Jin M.， Liu H.， Nano Mater. Sci.， 2024， 7（1）， 105—112
[18]	He X.， Zhang N.， Shao X.， Wu M.， Yu M.， Qiu J.， Chem. Eng. J.， 2016， 297， 121—127
[19]	Jalilov A. S.， Li Y.， Tian J.， Tour J. M.， Adv. Energy Mater.， 2017， 7（1）， 1600693
[20]	Xu R.， Yi Z.， Song M.， Chen J.， Wei X.， Su F.， Dai L.， Sun G.， Yang F.， Xie L.， Carbon， 2023， 206， 94—104
[21]	Wan K.， Luo C.， Wang J.， Xu W.， Pei X.， Zhou X.， Ming P.， Liang H.， Li B.， eScience， 2025， 100510
[22]	Gao H.， Wang S.， Cheong W. C.， Wang K.， Xu H.， Huang A.， Ma J.， Li J.， Ip W. F.， San Hui. K.， Carbon， 2023， 203， 76—87
[23]	Ramaswamy N.， Tylus U.， Jia Q.， Mukerjee S.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（41）， 15443—15449
[24]	Jiao L.， Wan G.， Zhang R.， Zhou H.， Yu S. H.， Jiang H. L.， Angew. Chem.， 2018， 130（28）， 8661—8665
[25]	Song T. W.， Zuo L. J.， Zuo M.， Liang H. W.， J. Catal.， 2023， 419， 19—25
[26]	Zhang L.， Tong L.， Li S.， Ma C. S.， Xue K. Z.， Liang H. W.， J. Energy Chem.， 2025， 101， 1—6
[27]	Kwon T.， Kim T.， Son Y.， Lee K.， Adv. Energy Mater.， 2021， 11（22）， 2100265
[28]	Lu B. A.， Shen L. F.， Liu J.， Zhang Q.， Wan L. Y.， Morris D. J.， Wang R. X.， Zhou Z. Y.， Li G.， Sheng T.， ACS Catal.， 2020， 11（1）， 355—363
[29]	Song T. W.， Chen M. X.， Yin P.， Tong L.， Zuo M.， Chu S. Q.， Chen P.， Liang H. W.， Small， 2022， 18（31）， 2202916
[30]	Li J.， Li L.， Lin W.， Chen X.， Yang W.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2024， 12（13）， 5241—5250