北理工Adv. Funct. Mater.：原子協同效應有助于增強氧還原反應

【引言】

氧還原反應（ORR）作為典型的低溫燃料電池的陰極反應，已被視為限制電池性能的半電池反應。發展高效的ORR催化劑對于降低燃料電池的成本非常重要。但到目前為止，大多數報道的高性能ORR催化劑主要是含有Pt與過渡金屬元素，例如Pt與Ni，Co，Fe，Cu等組成的鉑基合金。因此，非鉑金屬催化劑的研究近來成為熱點，高性能的非鉑催化材料是進一步降低催化劑成本的優先選擇，有助于促進燃料電池技術的大規模商業化。

【成果簡介】

近日國際期刊Advanced Functional Materials以“Synergistically Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis by Subsurface Atoms in Ternary PdCuNi Alloy Catalysts”為題發表了北京理工大學最新研究成果，該工作發明并計算驗證了一種具有次表面層協同效應的高性能堿性氧還原催化劑。通過濕化學法制備的PdCuNi三元合金經過基于溶液的表面氧化處理后，得到激活的納米晶表面，催化劑表面在去除Ni和Cu原子后，ORR活性得到大幅度提升。在堿性介質中質量活性分別為Pt/C的5倍，Pd/C的2.4倍。該工作由北京理工大學材料學院李煜璟研究員、美國加州大學材料科學與工程系黃昱（Yu Huang）教授及西南石油大學化學與化工學院羅文嘉副教授合作完成，王化偉博士為論文的第一作者。

【圖文導讀】

圖1. 材料制備及表面組成示意圖

圖2. a) HAADF-STEM圖像和b)酸處理后碳載PdCuNi/C-AB催化劑的HRTEM圖像。 c)單個PdCuNi 納米晶的EDS線掃。橙色箭頭表示掃描方向，相應的元素強度輪廓在納米晶上重疊。 d)單個PdCuNi 納米晶的元素分布圖，其中顯示Pd, Cu, Ni和混合的Pd/Cu元素分布。

圖3. a) 酸處理后相應催化劑的CV曲線。 b) PdCuNi-AB/C催化劑酸處理前后的LSV和CV（插圖）曲線。 c) d) LSV曲線，Tafel圖（插圖）和酸處理后相應催化劑在0.9 V時的活性總結。

圖4. 六種代表性的O *吸附結構及其在PdCuNi合金表面上的相關ΔE_O值的圖示。第二層和第三層原子（離觀察者更遠）以較小尺寸顯示。O, Pd, Cu, Ni分別以紅色，藍色，橙色和綠色顯示。

圖5. 與商業Pd/C和Pt/C催化劑相比，在0.1M NaOH + 1M CH₃OH電解質中PdCuNi-AB-t/C催化劑的LSV曲線，插圖為0.1M NaOH電解液中催化劑的CV曲線。

【小結】

在這項工作中，研究者提出了高活性和耐甲醇的PdCuNi三元合金納米晶。計算結果與實驗結果相一致，表明PdCuNi三元合金的活性增強是由于Ni和Cu原子在次表層共存的協同作用，且次表層適量Ni原子對催化活性提升有重要作用。這項工作通過實驗證明使用氧化性的酸處理作為一種通用和有效的方案來提高Pd基合金的ORR活性，并且進一步揭示了高活性的機理，可以指導合理設計用于ORR的高性能Pd基三元合金催化劑。為燃料電池陰極催化材料的開發提供了新材料及新策略。

文獻鏈接：Synergistically Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis by Subsurface Atoms in Ternary PdCuNi Alloy Catalysts (Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201707219 )

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