蘇州大學黃小青JACS.：PtPb(金屬間化合物)/PtNi(原子層)“締結良緣”實現對氧還原的高效催化

【引言】

燃料電池因其高效性、輕巧便攜性、環境友好性等優點在商業領域得到了廣泛應用,Pt基材料作為陰極氧還原反應（ORR）電催化劑，雖然催化性能優異，但其成本較高，因而制約了它的實際應用為了解決這一問題，各研究學者對Pt和過渡金屬合金相進行了大量研究，發現了以下現象：（1）合金相的Pt-Ni NCs在各方面表現更為突出；（2）具有超薄Pt層的核殼結構既降低Pt的使用，又可有效增強對ORR的催化性能和壽命,但單一組分的核或殼層限制了ORR增強效應的活性和壽命。因此，如何有效調控Pt-基金屬間化合物的形貌、結構和電子效應，合理地將化學結構穩定的PtM金屬間化合物與高活性的PtNi結合，實現表面組分、暴露面、內部結構的聯合調控，依然是一個很大的挑戰。

【成果簡介】

近日，蘇州大學黃小青教授（通訊作者）課題組在JACS.上發表了一篇名為“PtPb/PtNi Intermetallic Core/Atomic Layer Shell Octahedra for Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysis”的文章，研究人員使用濕化學方法首次合成金屬間化合物Pt-Pb-Ni正八面體。具有金屬間化合物核和高活性表面組分的PtPb_1.12Ni_0.14正八面體有效增強了氧還原電催化作用，其面積比活性和質量比活性分別約為商業化Pt/C的20倍、11倍，且在持續15000次循環使用后活性度下降甚微。對燃料電池而言，這種性能增強的Pt-基電催化劑無疑是一種很好的選擇。

【圖文導讀】

圖一 PtPb正八面體的生長機制

(a-e) 不同反應時間段Pt-Pb的TEM圖像, (a) 0.5h, (b) 1h, (c) 3h, (d) 5h, (e) 6h；

(f) 不同反應時間段Pt-Pb的SEM-EDS圖譜；

(g) 反應過程中Pt-Pb正八面體的Pt/Pb原子比率變化曲線(ICP-AES)；

(h) 不同反應時間的Pt-Pb正八面體的PXRD圖譜；

圖二 PtPb_1.03Ni_0.05, PtPb_1.07Ni_0.10, PtPb_1.12Ni_0.14正八面體的形貌結構表征

(a, b) PtPb_1.03Ni_0.05正八面體的TEM圖像和元素映射圖譜，內部附圖是HAADF-STEM圖譜；

(c, d) PtPb_1.07Ni_0.10正八面體的TEM圖像和元素映射圖譜，內部附圖是HAADF-STEM圖譜；

(e, f) PtPb_1.12Ni_0.14正八面體的TEM圖像和元素映射圖譜，內部附圖是HAADF-STEM圖譜。

圖三 PtPb_1.03Ni_0.05, PtPb_1.07Ni_0.10, PtPb_1.12Ni_0.14正八面體的結構分析

(a, d, g) TEM圖像；

(b, e, h) HRTEM圖像；

(c, f, i) HAADF-STEM圖譜；

(a-c) PtPb_1.03Ni_0.05正八面體, (d-f) PtPb_1.07Ni_0.10正八面體, (g-i) PtPb_1.12Ni_0.14正八面體。

圖四 不同電極材料的ORR性能測試

(a) 在0.1M HClO₄中不同電催化劑的CVs曲線；

(b) 不同電催化劑的ESCA統計直方圖；

(c) 不同電催化劑的ORR極化曲線；

(d) 不同催化劑的質量比活性圖和面積比活性圖。

圖五 PtPb_1.12Ni_0.14正八面體/C、PtPb正八面體/C的ORR耐久性測試

(a) PtPb_1.12Ni_0.14正八面體/C的ORR極化曲線；

(b) 不同循環次數后PtPb_1.12Ni_0.14正八面體/C的質量比活性和面積比活性；

(c) Pt正八面體/C的ORR極化曲線；

(d) 不同循環次數后PtPb正八面體/C的質量比活性和面積比活性；

(e, f) 循環15000次后PtPb_1.12Ni_0.14正八面體/C的HAADF-STEM和元素映射圖像。

【小結】

本文介紹了一種簡單易行的濕化學方法，用于合成形貌、尺寸、組分有效可控的PtPb，Pt_1.21Pb，PtPb_1.03Ni_0.05，PtPb_1.07Ni_0.10，PtPb_1.12Ni_0.14金屬間化合物NCs。PtPb/PtNi核殼結構的PtPb_1.12Ni_0.14正八面體NCs具有突出的穩定性和耐久性，其催化性能不僅優于PtPb正八面體、PtPb/Pb核殼正八面體NCs，更是Pt/C NCs質量比活性、面積比活性的11倍、20倍，是目前最有前景ORR電催化劑。研究者們期望以此推動Pt-基NCs結構、相、表面組分可控的設計研究，實現在非均相反應、燃料電池及更多領域的廣泛應用。

文獻鏈接：PtPb/PtNi Intermetallic Core/Atomic Layer Shell Octahedra for Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysis (JACS., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b03510)

本文由材料人編輯部朱喜月編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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