廈大黃小青教授Angew: 中/高熵混合核/殼納米片直接甲酸燃料電池


 

  • 【導讀】

與傳統合金相比,高熵合金(High-entropy alloy,HEA)由于固有的多樣性和結構穩定性優勢,可以表現出截然不同的結構和電子性能。其精確控制仍處于初級階段。到目前為止,納米級 HEA 的報道主要集中在納米粒子,它們的形態控制很少見也極具有挑戰性。納米級 HEA 的結構控制困境與金屬原子的巨大不同物理化學性質高度相關,包括原子尺寸、晶體結構和電負性。整合多種元素以形成穩定的固溶體已經具有挑戰性, 無論是否獲得具有結構控制的 HEA。受益于結構控制和納米級 HEA 的共同優點,其非凡的物理化學性質和催化性能備受期待。

二、【成果掠影】

近日,廈大黃小青教授課題組構建了一類獨特的 PtBiPbNiCo HEA 六方納米板 (HEA HPs),具有中熵核/高熵原子層殼的新型納米結構,對甲酸氧化反應 (FAOR) ,甚至在直接甲酸燃料電池 (DFAFC) 的運行膜電極組件 (MEA) 條件下具有優異的性能,該工作為燃料電池催化劑提供了一個有前景的材料平臺。相關研究成果以“Medium/High-Entropy Amalgamated Core/Shell Nanoplate Achieves Efficient Formic Acid Catalysis for Direct Formic Acid Fuel Cell”為題在Angew Chem. Int. Ed.上發表。

 

三、【核心創新點】

√獨特的 HEA HPs 由新型金屬間 PtBiPb 核和 PtBiNiCo 殼構成。值得注意的是,對于 FAOR,HEA HPs/C 的比活度和質量活度高達 27.2 mA cm-2 和 7.1 A mgPt-1,優于迄今為止報道的所有 Pt 基 FAOR 催化劑。

 

?四、【數據概覽】

1 HEA HP的形態和結構表征。(a) HAADF-STEM 圖像。單個 HEA HP 的 HAADF-STEM-EDS 插圖。(b) TEM 圖像。(c) HRTEM 圖像。插圖分別用 He 和 Ne 拋光處理的ISS,每次 120 s(三次拋光后厚度為 1~2 nm)。(d) 頂視圖和 (e) 側視圖的元素分布。(f) Pt L 邊緣的 XANES圖。(g) FT-EXAFS圖。(h) HEA HP、Pt 箔和 PtO2 的 EXAFS 光譜的 WT圖。? 2023?Xiamen University

2 HEA HP 的原子級結構分析。(a) 從頂視圖看單個 HEA HP 的 AC-HAADF-STEM 圖像。(b) 從 (a) 中的選定區域和所示區域的強度剖面。(c) 從 (a) 中的選定區域。(d) HEA HPs 核心和相應的原子分辨率元素分布。(e) 相應的頂視圖原子模型。(f) 從側面看單個 HEA HP 的 AC-HAADF-STEM 圖像。(g) 從 (f) 中的選定區域。(h) 相應的側視圖原子模型。(e) 和 (h) 中的深藍色、橙色、綠色、白色和紅色的彩色球分別代表 Pt、Pb、Bi、Ni 和 Co。? 2023?Xiamen University

3? HEA HPs/C 的性能評估。(a) 不同催化劑在 0.5 M H2SO4 中的 CV 曲線。(b) 不同催化劑在 0.5 M H2SO4 + 0.5 M HCOOH 中的正向掃描 CV 曲線。(c) 不同催化劑的質量和比活性。(d) FAOR 不同催化劑的電位依賴電流密度。(d) 中的插圖是相對于 Pt/C 的電流密度比。(e) HEA HPs/C 的質量活性與報告的 FAOR 催化劑的比較。(f) 基于 HEA HPs/C 的直接甲酸燃料電池示意圖。(g) MEA 在 9 M HCOOH 下的穩態極化和功率密度曲線。(h) HEA HPs/C 和商用 Pd/C 在 0.4 V 下的放電曲線。(h) 中的插圖是不同時間段的相對電流衰減。? 2023?Xiamen University

4 FAOR過程的機理研究。(a) 在 0.1 M H2SO4 + 0.05 M HCOOH 中 Er 為 ?250 mV 和 Es 為 200 mV 的原位 FTIR。右圖是波數范圍從 2200 cm?1 到 1600 cm?1 的局部放大圖。(b) Pt/C、(c) PtPb HPs/C 和 (d) HEA HPs/C 的原位 FTIR 電壓跟蹤從 -0.2 V 到 0.8 V。(e) Pt 4f 和 (f) Pb 4f 的 XPS 光譜。(g) HEA HPs/C、PtPb HPs/C 和 Pt/C 的 d 帶中心。FAOR 的 (h) Pt/C、(i) PtPb HPs/C 和 (j) HEA HPs/C 的吉布斯自由能圖。? 2023?Xiamen University

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五、【成果啟示】

該工作證明了一種新型的HEA-HP納米結構,其具有有序的PtBiPb核和原子層狀的PtBiNiCo殼的獨特結構具有FAOR的巨大優勢。HEA-HPs/C的比活性和質量活性可以達到27.2mAcm-2和7.1mgPt-1,分別是商業Pt/C的133倍和56倍,使其成為迄今為止在Pt/Pd基FAOR催化劑中實現的最有效的催化劑。更重要的是,HEA-HPs/C顯著的MEA性能(321.2 mWcm-2的功率密度)和壽命(30小時后44.1%的剩余功率密度)進一步證明了HEA-HPs在實際DFAFC器件中的潛在應用。本研究重點介紹了用于燃料電池反應的高性能二維(2D)Pt基核/殼HEA的先進結構控制。

 

原文詳情:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202213783

本文由圖圖供稿

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