上海交通大學&加州大學Adv. Mater.: 鉑基納米線高效電催化氧還原及原位電鏡表征技術揭示氣固反應中的定向連接

葉嵐山 6年前 (2017-11-28) 6382瀏覽

【引言】

質子交換膜燃料電池中，貴金屬鉑仍然是應用最廣泛的電催化氧還原催化劑。通過形貌控制和成分調控的手段，提高鉑基催化劑的活性與穩定性是目前制備理想氧還原催化劑的主要手段。然而，納米鉑基合金顆粒中非貴金屬元素的電化學析出及納米顆粒的團聚仍然是制約催化劑性能提升的主要因素。

基于此，一維鉑基納米線憑借相對于零維納米顆粒的高導電性和熱穩定性，以及結構柔韌性展現出了優異的電催化性能。但是，關于鉑基納米線的制備仍然局限于傳統的濕法化學，除大量有機封端劑的引入對催化性能產生不利影響外，繁瑣的制備工藝也嚴重限制了高效催化劑的工業化生產；而對于固相合成法，由于燒結引起的團聚現象占主導地位，納米顆粒很難實現定向連接。目前，對通過氣固反應實現一維鉑基納米線的制備仍缺乏足夠的認知。因此，從原子尺度上，加深對鉑基納米線生長機制的理解，研究簡單高效制備具有優異催化性能鉑基納米線的新方法格外重要。

【成果簡介】

近日，上海交通大學材料學院鄔劍波特別研究員與加州大學爾灣分校潘曉晴教授（共同通訊作者）等通過氫氣輔助，實現了一維鉑基納米線的氣相合成。該新方法工藝簡單，制備過程中未引入任何有機溶劑，氣固反應脫離了傳統液相合成方法產率低的限制，更適用于工業化規模生產。該方法制備的鉑納米線及鉑鎳合金納米線相比商業鉑碳的電催化氧還原性能來說，質量活性分別提高了5.1倍和10.9倍，面積活性分別提高了8.5倍和13.8倍；此外，經過10000個循環伏安掃描后，質量活性的最低損失只有2.6%，表現出了酸性條件下優異的穩定性。此外，結合濕法浸漬法，該方法同樣適用于不同載體材料支撐鉑基納米線的合成。

鉑納米線的生長過程通過原位透射電鏡技術得到精細表征，進一步揭示了鉑納米顆粒在表面原子擴散作用下實現了特定晶面定向連接的形成機制：氫氣的吸附可以增強納米顆粒表面鉑原子的擴散速率，尤其是在氫氣吸附最強的鉑{100}晶面，鉑原子的表面擴散速率顯著增強，使得顆粒之間的連接也更傾向于發生在具有高表面擴散速率的鉑{100}晶面。原位電鏡觀察證明了鉑基納米線的固相合成過程主要包括了以下四個階段：（1）氫氣在鉑{100}晶面的優先吸附；(2) 鉑{100}晶面的表面擴散速率增強；（3）鉑納米顆粒{100}晶面之間的接觸及顆粒之間頸縮區的形成；（4）納米顆粒之間實現{100}晶面的定向連接及納米短鏈的初步形成。該研究成果以“Platinum-Based Nanowires as Active Catalysts toward Oxygen Reduction Reaction: In Situ Observation of Surface Diffusion-Assisted Solid-State Oriented Attachment“為題，發表在Advanced Materials上，該工作的共同一作為上海交通大學材料學院的博士生馬艷玲和加州大學爾灣分校博士后高文旆。

【圖文導讀】

氫氣作用下鉑納米線的生長過程示意圖