湖南大学JACS：循环3万次，PtGa纳米线超高效ORR
微著
2019-10-25
第一作者：Lei Gao, Xingxing Li
通讯作者：Hongwen Huang，Zhenmeng Peng2. 实现了兼具高活性和耐用性的ORR电催化性能。燃料电池是电动汽车未来发展的首选能源技术之一，无论是在学术界还是工业界都备受关注。目前，燃料电池依然存在的一个关键问题在于：活性和稳定性难以兼得。Pt纳米催化剂是燃料电池阴极的首选材料。但是，如果要满足实际需求，阴极需要负载高达0.4 mg. cm-2的常规Pt纳米催化剂，以改善缓慢的ORR反应动力学，补偿催化剂的持续稳定的运行，极大地增加了实际应用的成本。科学家也为此付出了许多努力。他们将3d过渡金属（Fe、Co、Ni）与Pt合金化，可以有效提高ORR催化活性。研究表明，相对于Pt（111）表面，Pt3Ni（111）表面的ORR面积活性增强因子为10，这主要是因为配体和形貌协同效应提高了Pt的利用率，增强了吸附强度。但是由于3d金属元素的快速浸出，常常会引起催化剂耐久性不足的问题。
关于Pt基ORR催化剂，远不止这5篇Science成果于是，科学家在合金化的基础上，进一步解决催化剂耐久性的问题。他们采用排在更前面一点的过渡金属（Y、Gd或Tb）来与Pt合金化。由于早期过渡金属与Pt结合力更强，所以有效解决了催化剂进浸出的问题，同时实现了高活性和持久性。然而，这一类合金往往在5 nm以下，且具有特定的形貌，而过渡金属与Pt的还原电位差距较大，实际合成起来，难度颇大！因此，降低Pt的用量，以切实可行的策略实现具有更高的ORR活性和持久性的新型催化剂，是燃料电池领域目前迫切需要解决的难题。有鉴于此，湖南大学Hongwen Huang，阿克伦大学Zhenmeng Peng等人报道了一种基于PtGa合金超薄纳米线的新型纳米催化剂，具有优异的ORR活性、循环稳定性以及CO耐受性。考虑到p区金属与Pt具有很强的p-d杂化相互作用，研究人员决定用p区金属取代常规过渡金属，构建新型的Pt基合金纳米催化剂，制备得到了Pt4.31Ga合金纳米线。PtGa合金纳米线呈FCC堆积，沿{110}方向生长。1）Pt纳米线的制备：油胺溶液，Pt(acac)2 和W(CO)6，160℃。Pt纳米线直径约1.2 nm，长度数十纳米。2）PtGa纳米线的制备：油胺溶液，Ga(acac)3, 抗坏血酸、Pt纳米线，170℃，24 h。PtGa纳米线直径约1.6 nm，长度基本不变。相对于商用Pt催化剂，PtGa NWs的ORR质量活性和比活性分别提高了10.5和12.1倍。PtGa NWs在进行30,000次耐久性测试后，其质量活性仅下降15.8％，而商用Pt催化剂则下降了79.6％。
各种表征和DFT理论计算表明，Ga和Pt之间强的p-d杂化相互作用，协同优化了表面电子结构，增强Pt的抗氧化性以及抑制晶格Ga的浸出，从而提高了ORR性能。
总之，该工作提供了一种Pt基合金纳米线的制备方法，为设计高活性和耐用的ORR电催化剂提供了新的视角。Lei Gao et al. Ultrathin Nanowires Boosts Oxygen Reduction Electrocatalysis. J. Am. Chem. Soc., 2019DOI: 10.1021/jacs.9b07238 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07238
版权声明：
本平台根据相关科技期刊文献、教材以及网站编译整理的内容，仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究，不得作为商业用途。
