南京師范大學李亞飛JACS：PtTe單層材料作為氧還原反應電催化劑

【引言】

通過電化學反應將化學能直接轉化為電能的燃料電池是未來能源供應需求最有前途的解決方案之一。然而燃料電池中陰極氧還原反應（ORR）的動力學比陽極反應慢得多，嚴重影響燃料電池的整體性能，并非常依賴于鉑(Pt)等高效電催化劑的使用。但是鉑基催化劑的高昂價格極大的限制了燃料電池的大規模應用。近年來，二維（2D）材料的興起和單原子催化劑概念的提出為高效催化劑的開發帶來了新的機遇。如果能在不犧牲催化性能的前提下大幅度的提高Pt基催化劑中Pt原子的利用率，將會為Pt基催化劑帶來新的希望。

【成果簡介】

近日，南京師范大學李亞飛教授課題組和德國德累斯頓工業大學Thomas Heine教授（共同通訊）等人基于密度泛函理論（DFT）計算，提出了一種新穎的2D含Pt材料作為ORR催化劑，即PtTe單層。單層PtTe具有良好的熱力學、動力學以及化學穩定性，并且具有較低的剝離能，可以很容易通過機械或者液相剝離實驗上早已合成的PtTe體相材料制得。PtTe單層由于含有鉑原子內層，整體上體現金屬特性。計算表明PtTe單層的表面具有優異的催化活性和對四電子（4e）ORR過程的高選擇性。特別的是，微動力學模擬進一步指出其理論半波電位高達0.90 V，比Pt(111)面的理論值高出50 mV以上。因而PtTe單層有望作為一種良好的燃料電池陰極催化劑。該研究發表于Journal of the American Chemical Society，題為“PtTe Monolayer: Two-Dimensional Electrocatalyst with High Basal Plane Activity toward Oxygen Reduction Reaction”。

【圖文導讀】

圖1. 幾何結構視圖與聲子譜

PtTe單層的（a）幾何結構的俯視圖（上部）和側視圖（底部），以及（b）聲子譜。藍色和橙色球分別代表Pt和Te原子。

圖2. 單層的能帶結構和態密度及切面

（a）PtTe單層的能帶結構（左）和態密度（DOS）（右）。（b）沿(001)方向的PtTe單層的電子局域功函數。I和II分別指示處于Pt-Pt和Pt-Te鍵中心的切面。等值面0和1分別表示低和高電子定域性。

圖3. ORR中間體的幾何構型和自由能曲線

ORR中間體的幾何構型：（a）2O*，（b）O*+OH*，（c）O*和（d）OH*。紅色和綠色球分別代表O和H原子。（e）在U=0 V下PtTe表面上的解離ORR途徑的自由能曲線，Te-O鍵長以?表示。

圖4. 模擬的極化曲線

PtTe單層和Pt(111)的模擬極化曲線。Pt(111)的能量數據取自參考文獻。

【小結】

本項工作在DFT計算的基礎上，系統地研究了新型2D PtTe單層的結構、電子和催化性質。研究結果說明，PtTe單層是一種穩定的2D結構，并可以通過剝離方法獲得。由于其存在Pt原子內層，PtTe單層具有金屬性，十分有利于電催化過程。基于CHE模型的計算和微動力學模擬證明PtTe單層具有優異的催化活性和高4e過程選擇性，是一個非常有前景的燃料電池陰極催化劑。作者等人非常有信心PtTe單層可在實驗室中實現制備，并且在不久的將來可用作ORR催化劑。他們也希望該研究能夠促進更多二維Pt基ORR催化劑的實驗和理論的研究。

文獻鏈接：PtTe Monolayer: Two-Dimensional Electrocatalyst with High Basal Plane Activity toward Oxygen Reduction Reaction (Journal of the American Chemical Society 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b08682)

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