首页 > 行业资讯 > 华中大王得丽教授团队 JACS：赝Pt单层稳固催化氢氧化

华中大王得丽教授团队 JACS：赝Pt单层稳固催化氢氧化

时间：2023-02-10 来源：浏览：

华中大王得丽教授团队 JACS：赝Pt单层稳固催化氢氧化

化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#电催化 30 个

#碱性膜燃料电池 2 个

#氢氧化反应 2 个

#赝Pt单层 2 个

#稳定性 13 个

点击蓝字关注我们

双碳目标的提出为以氢能为燃料的清洁、高效的燃料电池技术带来了机遇。然而， “Pt 原子经济性 ” 的问题成为其商业化面临的一大挑战。近年来，碱性膜燃料电池技术（ AEMFCs ）以其突出的成本优势而受到广泛关注，有望大幅度缓解 Pt 依赖性这一 “ 卡脖子 ” 问题。但是其阳极端氢氧化反应（ HOR ）动力学较酸性介质慢 2 个数量级，现有的催化剂活性和稳定性依然堪忧。特别是稳定性，详细的催化剂衰退机制尚不明确，严重影响了催化材料设计策略的提出。

为此，华中科技大学王得丽教授课题组在《 Journal of the American Chemical Society 》期刊上发表了题为 “Pseudo-Pt Monolayer for Robust Hydrogen Oxidation” 的文章（ DOI: 10.1021/jacs.2c11907 ）。针对稳定性的问题，该团队先从商业 Pt/C 入手，提出两段式的衰退机制，即： 1. 电位低于 0.5 V vs RHE 时， Pt 原子催化碳载体氧化生成 CO ， CO* 物种随后反溢流至 Pt 表面导致催化剂毒化，电化学活性面积降低。 2. 电位高于 0.5 V vs RHE 时，溶液中的 OH* 物种促使 Pt 纳米晶表面的 Pt 原子脱离本体，活性位点锐减。这一两段式衰退机制的提出不仅对于碱性 HOR ，甚至有望应用于碱性介质中的以 Pt/C 为商业催化剂的多种催化反应的活性衰退分析，从而有利于提出可靠的稳定性提升策略。依据此衰退机制随后提出一种 “ 缓冲介质 ” 策略，在碱性介质中拥有强壮稳定性的 IrPd 内核表面外延生长赝 Pt 单层结构，形成一种新型的复合结构催化剂（ PmPt@IrPd/C ），该催化剂能够结合内核和外壳的高稳定性和高活性，实现兼顾提升催化活性和稳定性的目标。研究表明，其在 0.5 V vs RHE 的电位下能稳定工作 50,000 圈，在 1.0 V vs RHE 的高正端电位下仍能稳定工作 20,000 圈，均明显优于商业 Pt/C 。更重要的是，以 PmPt@IrPd/C 为阳极催化剂装配的碱性膜燃料电池在超低的 Pt 用量下，功率密度可达 1.27 W cm ^-2 。该研究成果为碱性膜燃料电池中高活性和高稳定性的催化剂开发提供了理论依据和设计思路。

图 1 . Pt/C 催化剂在 0.1 M KOH 溶液中的 HOR 性能评估。 (a) Pt/C 催化剂在 1.0 V 正端电位稳定性测试后的 HAADF-STEM 图。显然，老化后的 Pt/C 样品中出现单原子、团簇、纳米颗粒等多种结构。 (b) 提出的 Pt/C 催化剂衰退机制，表面的原子从 Pt 纳米晶表面分离并重组为单原子和纳米团簇。 (c) 在 10 ps 的分子动力学模拟中，表面和亚表面 Pt 原子之间 Pt–Pt 键长的变化趋势。插图显示 Pt/C 模型受表面吸附 OH* 物种拖曳效应影响的结构演变趋势。

图 2 . PmPt@IrPd/C 催化剂的结构设计理念与相关结构表征。 (a) 从 Pt 纳米颗粒到 PmPt@IrPd 核壳结构催化剂的设计理念示意图。 (b) PmPt@IrPd 纳米颗粒原子级分辨率的 HADDF-STEM 图，其中黄色和蓝色实线之间的距离为 PmPt 层和 IrPd 核之间的晶面间距， IrPd 核的晶面间距用双蓝色实线表示。图 1 和 2 分别表示 PmPt@IrPd 纳米颗粒中相应区域 1 和 2 中的强度曲线图。 (c,d) 和 (e-h) 分别表示单颗 PmPt@IrPd 纳米粒子的元素线扫图和 EDX 元素分布图。很显然， Ir 和 Pd 均匀地分散在内部， Pt 分布在表面，且测量的 PmPt 壳层的厚度约为 0.22 nm 。

图 3 . PmPt@IrPd/C 催化剂的 HOR 电催化性能分析。 (a) 所制备催化剂在 Ar 饱和的 0.1 M KOH 溶液中的 CV 曲线图。 (b) 所制备催化剂在 H ₂ 饱和的 0.1 M KOH 电解液中的 HOR 极化曲线图。 (c) 在 0.1 M KOH 溶液中， PmPt@IrPd/C 催化剂于 0.35V 至 -0.20 V 电位范围内的原位 ATR-SEIRAS 谱，图中显示 PmPt@IrPd/C 中的 M–H 带位于 2014 cm ^–1 波数处。 (d) PmPt@IrPd/C 作为阳极催化剂组装出 AEMFCs 的极化曲线和功率密度曲线图。 (e) PmPt@IrPd/C 的质量比活性和装配的 AEMFCs 的电池性能与先前报道的别类催化剂相比较。 (f) 在 GDE 上利用计时电流测试技术对 Pt/C 和 PmPt@IrPd/C 的稳定性进行比较。

图 4 . PmPt@IrPd/C 催化剂的稳定性结构表征。分别经过 (a) ADT-0.5 V 和 (b) ADT-1.0 V 测试后， PmPt@IrPd/C 催化剂原子级分辨率的 HADDF-STEM 图。图 1, 2 为 (a,b) 中 PmPt@IrPd 纳米颗粒中相应区域 1 和 2 的强度曲线图。 PmPt@IrPd 纳米颗粒分别经过 (c) ADT-0.5 V 和 (d) ADT-1.0 V 测试后的元素分布图。

图 5 . PmPt@IrPd/C 的密度泛函理论计算和分子动力学模拟。 (a) Pt 和 PmPt@IrPd 模型与碳基底的结合能。 (b) OH* 物种在 Pt 和 PmPt@IrPd 模型 5 种可能的吸附位点上的结合能，左侧为相应吸附位点构型的俯视图。 (c) 在 10 ps 分子动力学模拟过程中，表面和亚表面 Pt 原子之间 Pt–Pt 键长的变化趋势。插图显示 PmPt@IrPd/C 模型受表面吸附 OH* 物种拖曳效应影响的结构演变趋势。 (d) PmPt@IrPd/C 模型上 HOR 的机理示意图。

作者简介

向上滑动阅览

王得丽，华中科技大学教授 / 博士生导师。获海外高层次人才、教育部“新世纪优秀人才计划”、湖北省“化学化工青年创新奖”、中国表面工程协会“中表镀 - 安美特青年教师奖”。研究领域为新型电化学能源与环境材料的设计以及性能优化。在 Nat. Mater. 、 JACS 等期刊上发表 SCI 论文 100 余篇，获授权美国发明专利 2 项、中国发明专利 10 项。主持国家自然基金、湖北省科技晨光计划等项目。担任《 J. Chem. Phys. 》副主编，担任《电化学》、《储能科学与技术》、《 Chin. Chem. Lett. 》、《 Nano Mater. Sci. 》、《 Energy & Fules 》、《 JPhys Energy 》编委。