加州大學爾灣分校潘曉晴Nano Letters: 原位透射電鏡技術揭示Pt-Co納米顆粒表面的各向異性氧化行為
【引言】
燃料電池因其高效、便攜、環境友好等優點，在汽車工業與電子產品中有著廣泛的應用前景。作為電池陰極氧還原反應（ORR）的電催化劑，二元Pt-過渡金屬（Pt-M）顆粒的活性與壽命則是實現燃料電池商業應用的關鍵：Pt-M催化劑表面的元素分布，及在氧化環境下的結構演化，都會直接影響ORR的催化活性和壽命。
【成果簡介】
近日，加州大學爾灣分校潘曉晴教授（通訊作者）課題組在Nano Letters上發表了名為“Revealing Surface Elemental Composition and Dynamic Processes Involved in Facet-Dependent Oxidation of Pt3Co Nanoparticles via in Situ Transmission Electron Microscopy”的文章。研究人員利用球差矯正STEM與DFT理論計算揭示了Pt3Co納米顆粒表面Co元素的各項異性分布：Co元素更傾向于分布在Pt3Co納米顆粒的｛111｝表面，而非｛100｝表面。進一步，利用原位電鏡技術，研究人員在原子尺度觀察了一個大氣壓純氧環境下Pt3Co納米顆粒的表面演化行為：｛111｝表面易于被氧化，其中的Co元素會偏析至最外層表面，與氧結合形成CoO層；而｛100｝表面則表現出抗氧化性，依然暴露出富Pt表面。
圖1 原始Pt3Co合金顆粒的表征結果
(a) EDS結果確認化學成分；(b) XRD表征結果；(c) 球差矯正HAADF-STEM對單個Pt3Co顆粒的表征結果；(d) STEM-EELS結果顯示：Pt3Co顆粒{111}表面的Co元素含量高于{100}表面；(e) 圖(c)顆粒所對應的原子模型示意圖。
圖2 Pt3Co顆粒在一個大氣壓氧氣環境下的表面氧化
(a-b) 原位HAADF-STEM表征與Z襯度分析顯示：氧化環境下，Pt3Co顆粒中的Co元素偏析至{111}表面，而非{100}表面；(c-e) 原位球差矯正STEM像確認{111}表面形成的氧化層為CoO。
圖3 原位氧氣環境下，Pt3Co顆粒表面的進一步演化
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原位球差矯正STEM結果顯示：氧化環境下，Pt3Co顆粒{100}富Pt表面由于原子遷移發生進一步重構；而{111} 表面的CoO層阻礙了Pt的遷移。
【小結】
本文通過掃描透射電子顯微學方法，在原子尺度研究了Pt3Co催化劑表面的成分分布與動態結構演化。所揭示的Co的各項異性分布、表面的“選擇性”氧化行為與Pt-M顆粒在燃料電池陰極的ORR催化性能密切相關。研究者們希望以此為Pt基 ORR催化劑的設計與失效原理提供借鑒。
文獻鏈接：Revealing Surface Elemental Composition and Dynamic Processes Involved in Facet-Dependent Oxidation of Pt3Co Nanoparticles via in Situ Transmission Electron Microscopy? （DOI:?10.1021/acs.nanolett.7b01325）
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