马克斯-普朗克学会和MIT Natrue Materials：设计核壳结构中的超稳定的Pt壳层

蓝天

2019-12-19

易调控尺寸、壳厚度、表面结构以及组分的核壳纳米材料的快速发展，使得以非贵金属元素为核，贵金属元素为壳的核壳结构材料成为一种提高贵金属元素稳定性和减少贵金属用量的代表性策略。应用在催化领域的许多核壳结构材料的经常以Ru、Pd、Ag、Ir等相对廉价的贵金属为核，来取得很小的价格优势。这是因为以含量丰富的Fe、Co、Ni等非贵金属金属为核形成的亚稳结构在电化学循环过程中会发生金属浸出或迁移，导致核与壳的元素互溶，进而使得催化剂性能衰退。这种不稳定导致催化剂有相当明显的活性面积下降、性能衰减。这是核壳结构催化剂在工业领域广泛应用的巨大障碍。尤其是在燃料电池技术中，这类催化剂在反应条件比较恶劣的氧还原反应（ORR）环境中结构常常被破坏。

早期，具有良好的热稳定性、化学稳定性、导电性、低成本、与贵金属强有强键合能力且不相容过渡金属碳化物TMCs和过渡金属氮化物TMNs被视为理想的和材料。但是，TMCs和TMNs表面的氧化或者碳化使得在其表面沉积原子级厚度、均一的贵金属薄层非常困难。以至于只有少数几个的这类工作报道。

近期，马克斯-普朗克学会的Dr Marc Ledendecker和 MIT Dr Yuriy Román-Leshkov等人通过一种高温自组装的方法成功在TiWC和TiWN上合成了Pt薄层，而且这种方法能够调控沉积范围并具有普适行。SFC–ICP–MS 和 IL–STEM–EDX测试揭示了全覆盖原子级Pt薄层保护TiWC和TiWN核不受溶解的能力。与Pt/C相比，其ORR催化稳定性明显提升，具有工业应用的潜力。

这个工作清晰阐述了影响核壳结构稳定性的衰退机理，并给出用TMC 和TMN为核设计低成本、耐久性好的核壳结构催化剂的设计策略。

Daniel, G.; Aaron, G.; Paul, P.; Karl, J. J. M.; Marc, H.; Yang, S.-H.; Rafal, E. D.-B.; Yuriy, R.-L.; Marc, L., Engineering stable electrocatalysts by synergistic stabilization between carbide cores and Pt shells. Nat. Mater. 2019.

https://www.nature.xilesou.top/articles/s41563-019-0555-5