Adv. Mater.：制備原子尺度具高指數面的八足納米框架作為高活性高穩定性的催化劑

【引言】

近些年，特別是2015年以來燃料電池電動汽車的商業化，使得質子交換膜燃料電池已經取得了重大的進步。為了促進質子交換膜燃料電池（PEMFCs）的全球商業化，氧還原（ORR）反應需要進一步降低成本，提高耐久性。然而，平衡納米催化劑材料的活性和穩定性兩個指標是一個巨大的挑戰，為了提高活性，耐久性或兩者，許多研究都致力于基于鉑納米催化劑的復雜結構工程， 特別是，金屬納米框架可以在納米尺度形成相互連通的邊界，提供3D的表面，高的體表率，原子利用率，認為是最有前景的催化劑之一。然而，納米框架結構的原子尺度工程以及暴露的表面能適合催化性能要求卻受到了限制。

【成果簡介】

近日，中山大學沈培康教授課題組報道了一種簡便一步法合成具有高指數面的3D催化表面八面體納米框架結構（OFAs），這對于各種類型的納米框架結構在原子水平工程方面是一種可靠的方法。他們利用油酰胺（OAM）以及溴化十六烷基三甲胺作為基本原料，這兩種原料在合成納米催化劑（NCs時都作為多功能的試劑。這種方法制成的PtCu OFAs的ORR反應比商業化的鉑-碳催化劑提高20倍，最重要的是，這種催化劑在經過嚴格的電化學反應及熱處理之后，循環數月還能保持原來的納米框架結構。

【圖文導讀】

圖1 一步法合成的PtCu OFAs 形貌及單相PtCu表面

(a) 透射電鏡在低倍數下獲取的PtCu 八面體納米框架。

(b) 透射電鏡在中等倍數下獲取的PtCu 八面體納米框架。

(c) 納米框架足在像差校正后的透射電鏡圖。

(d) 單個八面體納米框架結構的HAADF-STEM和EDX圖。

圖2 HAADF-STEM下不同結構的圖以及HAADF-STEM、TEM、EDX在不同分辨率時的結構圖。

(a) 凸八面體納米框架結構在HAADF-STEM下的圖。

(b) 菱形十二面體在HAADF-STEM下的圖。

(c) Pt-Pd-Cu中空納米框架結構在HAADF-STEM下的圖。

(d)三種典型的鉑基納米框架在HAADF-STEM中等放大倍數下的圖。

(e)三種典型的鉑基納米框架在高分辨率TEM下的圖。

(f)三種典型的鉑基納米框架在EDX下的圖。

圖3 各種納米結構框架的分類以及圖解制備納米結構的常用方法

(a) 各種納米結構的分類

(b) 制備納米結構的常用方法：

(i) 在高壓滅菌器中磁力攪拌器協助一步法溶劑熱合成OFAs；

(ii) 在形核階段最初形成的立方八面體；

(iii) 除（100）面外其他面繼續生長產生籽晶；

(iv) <111>方向沉積產生多相的八面體納米框架；

(iv) 在NCs上不穩定的銅原子氧刻蝕，在富鉑表面產生高指數面的八面體納米框架。

圖4 三種典型納米框架的循環伏安圖、ORR極化曲線及加速耐久性測試圖。

(a) 記錄在50 mV s^-1時三種典型的納米框架和TKK-Pt/C催化劑的循環伏安圖。

(b) 記錄(a) 圖中在10 mV s^-1時ORR極化曲線。

(c) 10000個電勢循環前后PtCu八面體納米框架催化劑的極化曲線。

(d) 這些催化劑在相對RHE電勢0.9V時加速耐久性測試前后的大量活性。

【展望】

OFAs是在大量生產中既可以保留高活性和穩定性，還能大量降低成本的可實踐性催化劑，期望可靠的合成方法，簡單的合成步驟，復雜的納米框架結構對于大量制備新型催化劑，不僅可以提供一條路徑，也能適用大范圍的應用。

原文鏈接：Atomic-Scale Preparation of Octopod Nanoframes with High-Index Facets as Highly Active and Stable Catalysts（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201601687）

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