上海電力學院徐群杰團隊Adv. Energy Mater.：用于乙醇電催化氧化的高活性和耐久性催化劑——二氧化鈦-黑磷雜化載鈀復合材料

【背景介紹】

直接乙醇燃料電池作為一類新型燃料電池，以乙醇為燃料，具有燃料來源廣泛、價格低廉、便于攜帶儲存等優點，已成為新能源領域的研究重點和熱點。直接乙醇燃料電池陽極催化劑通常以貴金屬鈀(Pd)為主要基礎元素之一，成本高而且容易被一氧化碳毒化而失活。負載型鈀催化劑設計和開發可以有效的降低貴金屬的用量和成本，提高了催化劑的電化學活性和壽命。常規的一些碳基載體材料由于其本身結構和性質限制了催化劑活性和耐久性的提升突破。因此，考慮表界面角度結構，設計新型的貴金屬催化劑載體材料仍然是直接乙醇燃料電池陽極催化劑的發展關鍵之一。

【成果簡介】

近日，Advanced Energy Materials刊登了上海電力學院徐群杰教授團隊的研究論文“具有異質界面的二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合材料：用于乙醇電催化氧化的高電催化活性和耐久性催化劑”(Palladium Nanoparticles Anchored on Anatase Titanium Dioxide-Black Phosphorus Hybrids with Heterointerfaces: Highly Electroactive and Durable Catalysts for Ethanol Electrooxidation)。上海電力學院為論文唯一完成單位。上海電力學院徐群杰教授、范金辰副教授、閔宇霖教授，為論文共同通訊作者，論文第一作者為上海電力學院2015級應用化學專業碩士研究生吳桐。

【文章亮點】

該文設計并制備出一種二氧化鈦-黑磷雜化材料負載鈀納米粒子的新型復合催化劑。文中利用通過簡單的機械球磨，二維的黑磷納米片(BP)與二氧化鈦(ATN)納米片在剪切力作用下，相互間通過P-O-Ti共價鍵連接形成了穩定的三維二氧化鈦-黑磷雜化材料，并最終作為鈀納米粒子載體，合成了具有高催化下活性和穩定性的Pd/ATN-BP?復合催化劑。該催化劑用于堿性條件下乙醇電氧化顯示出極高的活性，其電化學活性面積和最大峰值電流密度分別達到約462.1 m²g_Pd^-1和5023.8 mAmg_Pd^-1,?是普通商業Pd/C?的11.67?和6.87?倍。

【圖文導讀】

圖1.?二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑制備流程圖

圖2.?二氧化鈦-黑磷雜化材料的形貌表征

a-c) ?不同放大倍數和區域下的二氧化鈦-黑磷雜化材料透射電鏡圖；

d-g) 不同放大倍數下二氧化鈦-黑磷雜化材料透射電鏡圖以及EDS能譜線掃元素分布圖；

h) 二氧化鈦-黑磷雜化材料高分辨透射電鏡圖。

圖3. 二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑的形貌表征

a-b）二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑的透射電鏡圖以及鈀納米粒子尺寸分布圖；

c）二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑的高分辨透射電鏡圖；

d-i）二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑的EDS面掃元素分布圖。

圖4. 二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑的結構表征

a）二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑的XRD譜圖；

b）二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑的XPS譜圖；

c）二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑中鈀元素的XPS分峰擬合。

圖5.? ?二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑中不同元素的XPS分峰擬合

a）二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑中O元素的XPS分峰擬合；

b）二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑中P元素的XPS分峰擬合；

c）二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑中Ti元素的XPS分峰擬合。

圖6.?二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑電化學性能圖

a）不同催化劑在1.0 M NaOH溶液循環伏安曲線，掃描速度為50 mV s^-1；

b）不同鈀投料量下二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑在1.0 M NaOH溶液中的循環伏安曲線，掃描速度為50 mV s^-1；

c-d）不同催化劑以及不同鈀投料量下二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化劑在1.0 M NaOH + 1.0 M C₂H₅OH溶液中的循環伏安曲線，掃描速度為50 mV s^-1。

圖7.?二氧化鈦-黑磷雜化材料載鈀復合催化相關性能圖

a）不同乙醇電氧化催化劑氧化峰電流密度對比圖；

b-c）不同催化劑在0.5 M H₂SO₄溶液中的單層吸附CO的脫附曲線，掃描速度為10 mV s^-1；

d）不同催化劑在1.0 M NaOH + 1.0 M C₂H₅OH溶液中的塔菲爾曲線；

e-f）不同催化劑在1.0 M NaOH + 1.0 M C₂H₅OH溶液中時間-電流變化。

【總結&展望】

黑磷和二氧化鈦的復合結構顯著提升了載體的電子遷移率，同時二氧化鈦-黑磷雜化材料表面大量吸附的羥基加速一氧化碳等中間物種的氧化，從而釋放鈀活性位，極大提升了催化劑性能。這一研究結果對直接乙醇燃料電池陽極催化劑的設計和制備具有重要的指導意義，并對研發高性能低成本的燃料電池具有重要的應用前景。

文獻鏈接：Palladium Nanoparticles Anchored on Anatase Titanium Dioxide-Black Phosphorus Hybrids with Heterointerfaces: Highly Electroactive and Durable Catalysts for Ethanol Electrooxidation（Advanced Energy Materials，2017，DOI: 10.1002/aenm.201701799）

本文由上海電力學院閔宇霖教授投稿。

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