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西安工程大学刘亚明团队《ACS AMI》：可控合成PtIrCu三元合金超细纳米线用以增强电催化乙醇氧化

时间：2023-02-06 来源：浏览：

西安工程大学刘亚明团队《ACS AMI》：可控合成PtIrCu三元合金超细纳米线用以增强电催化乙醇氧化

原创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

#PtIrCu合金 2 个

#超细纳米线 2 个

#定向附着 2 个

#面缺陷 2 个

#乙醇氧化 2 个

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近期， 西安工程大学刘亚明团队 在直接乙醇燃料电池阳极催化剂设计方面取得新进展。该论文从元素组成和形貌结构两方面对催化剂进行了优化设计，结合实验与理论计算探索了元素组成对产物形貌的变化规律，为兼具高活性和高稳定性催化剂的设计提供了新思路。相关成果以标题为 “ Controllable Synthesis of PtIrCu Ternary Alloy Ultrathin Nanowires for Enhanced Ethanol Electrooxidation ” 发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 。西安工程大学纺织科学与工程学院青年教师刘亚明为该论文的第一作者和通讯作者。该研究得到西安工程大学博士科研启动金、陕西省自然科学基础研究项目、国家自然科学基金的资助。

研究背景：

直接乙醇燃料电池 (DEFC) 具有工作温度低、启动快和能量转化效率高等特点，同时其燃料易运输，贮存，较高的能量密度，低毒性以及可再生的优点，有望应用于便携式电子设备，而引起了研究人员的广泛关注。但是， DEFC 的阳极乙醇氧化反应（ EOR ）使用的铂基催化剂存在难以劈裂乙醇分子中的 C-C 键以及 CO _ads 中毒的问题，造成乙醇主要以 C ₂ 途径部分氧化成乙酸，而非以 C ₁ 途径完全氧化生成 CO ₂ ，导致低的燃料利用率和功率密度，而限制了 DEFC 的进一步发展。

研究思路：

基于上述问题，刘亚明团队从元素组成和形貌结构两方面对催化剂进行了设计。元素组成方面： Pt 是 EOR 最有效的单金属催化剂， Ir 能促进 C-C 键的劈裂， Cu 元素能提供亲氧基团去除 CO _ads ，使得 PtIrCu 三元合金催化剂有望具有良好的催化活性。形貌结构方面：相比于纳米颗粒而言，一维纳米线结构能够有效防止奥斯瓦尔德熟化和迁移融合现象的发生，保证催化剂具有良好的稳定性。因此，将合金与纳米线结构复合在一起的 PtIrCu 合金纳米线催化剂兼具高活性和高稳定性。

文章要点

在前期工作的基础上（ Nanoscale , 2019, 11 , 14828-14835 ），我们利用原位 H ₂ 协助策略制备了 PtIrCu 超细合金纳米线。制备过程可以分为两步：强还原性的 H ₂ 使前驱体共还原制备 PtIrCu 纳米颗粒；然后氢气活化纳米颗粒表面的 Pt 原子，促使形成纳米线结构。通过调节不同元素的前驱体比例，我们发现随着 Ir 含量的逐渐增加，产物的结构逐渐由表面光滑的纳米线演变成表面粗糙的纳米线，进而变成纳米颗粒，证明过多的 Ir 对形成纳米线结构是不利的。 DFT 计算发现当 Cu 原子被 Ir 原子取代后， Pt 原子的空穴形成能增加，阻碍了氢气诱导纳米颗粒拼接形成纳米线的过程。最佳比例的 Pt ₄₃ Ir ₃₂ Cu ₂₅ 超细纳米线具有优异的乙醇电氧化反应活性 (1.05 A·mg ^-1 _Pt 和 1.67 mA·cm ^-2 ) ，显著降低的起始电位以及良好的抗 CO 中毒能力。催化性能的提升主要归因于合金结构的协同催化作用和超细富缺陷的纳米线结构。