分级骨架和多层的Pt-Ni纳米晶体用于高效氧还原和甲醇氧化反应

燃料电池是电动汽车和电子设备最有前途的清洁能源之一.Pt催化剂在氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)中的电催化性能对电池系统的能源效率和电池的价格起着至关重要的作用,因此设计高效的电催化剂以最大限度地提高铂的利用率,从而增强电催化效果、降低成本,已经成为燃料电池发展的一个重要方向.早期的研究表明,铂基催化剂可以有效地提高电催化性能,并且它们的组成和形貌被认为是影响催化剂活性的两个关键因素.至今,已合成出各种各样的Pt基催化剂,如Pt-Pb/Pt核壳纳米盘、Pt3Co凹面立方体、Pt-Cu-Rh纳米笼、Pt-Pd纳米枝晶等,其中纳米枝晶结构的催化剂表现出很好的氧还原性能,其高效的催化活性被认为是暴露出的较高的比表面积促进了电子转移以及拥有较多的Pt活性位点.本文采用简单的溶剂热法合成了具有大比表面积的Pt-Ni分层骨架结构(Pt-Ni HSNs)催化剂,为了验证反应物所起的作用,通过收集不同反应时间下的产物和控制单一变量,我们发现在合成配方中加入H2SO4是此类Pt-Ni纳米晶体成功生长的关键触发因素.在H2SO4的诱导下,Pt和Ni原子倾向于沉积在(111)面,促使Pt-Ni合金沿晶面方向生长为八面体结构,在此过程中发生了粒子自组装成长以及相分离过程,最后我们用酸蚀法制造了Pt-Ni HSNs,并通过TEM,XRD和XPS表征其微观结构及组成,证实了Pt-Ni HSNs已经形成合金结构.在酸性条件下,Pt-Ni HSNs在ORR反应中展示出比商业Pt/C更好的活性.在0.9 V时的质量活性为1.25 A mgpt–1,是商业Pt/C质量活性的8.9倍,并且在10000圈的耐久性测试中,Pt-Ni HSNs的质量活性仅仅损失了21.6％,远低于Pt/C损失的活性比例.Tafel曲线和旋转环盘测试结果表明,Pt-Ni HSNs在ORR反应中发生的是4电子过程,证实了它的高活性.另外,在酸性溶液中,Pt-Ni HSNs表现出了比商业Pt/C更好的MOR催化活性,且抗CO中毒能力更强.这可归因于两点:(1)Pt-Ni HSNs是由多个小颗粒组装而成,大大提高了与电解液的接触面积;(2)它独特的骨架结构减少了颗粒间团聚的可能性,有利于质子的转移.本文为设计先进的铂基电催化剂提供了一种新的自组装方法.     

分级骨架和多层的Pt-Ni纳米晶体用于高效氧还原和甲醇氧化反应（英文）

燃料电池是电动汽车和电子设备最有前途的清洁能源之一.Pt催化剂在氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)中的电催化性能对电池系统的能源效率和电池的价格起着至关重要的作用,因此设计高效的电催化剂以最大限度地提高铂的利用率,从而增强电催化效果、降低成本,已经成为燃料电池发展的一个重要方向.早期的研究表明,铂基催化剂可以有效地提高电催化性能,并且它们的组成和形貌被认为是影响催化剂活性的两个关键因素.至今,已合成出各种各样的Pt基催化剂,如Pt-Pb/Pt核壳纳米盘、Pt3Co凹面立方体、Pt-Cu-Rh纳米笼、Pt-Pd纳米枝晶等,其中纳米枝晶结构的催化剂表现出很好的氧还原性能,其高效的催化活性被认为是暴露出的较高的比表面积促进了电子转移以及拥有较多的Pt活性位点.本文采用简单的溶剂热法合成了具有大比表面积的Pt-Ni分层骨架结构(Pt-NiHSNs)催化剂,为了验证反应物所起的作用,通过收集不同反应时间下的产物和控制单一变量,我们发现在合成配方中加入H_2SO_4是此类Pt-Ni纳米晶体成功生长的关键触发因素.在H_2SO_4的诱导下, Pt和Ni原子倾向于沉积在(111)面,促使Pt-Ni合金沿晶面方向生长为八面体结构,在此过程中发生了粒子自组装成长以及相分离过程,最后我们用酸蚀法制造了Pt-NiHSNs,并通过TEM, XRD和XPS表征其微观结构及组成,证实了Pt-NiHSNs已经形成合金结构.在酸性条件下, Pt-NiHSNs在ORR反应中展示出比商业Pt/C更好的活性.在0.9 V时的质量活性为1.25 A mgpt~(-1),是商业Pt/C质量活性的8.9倍,并且在10000圈的耐久性测试中, Pt-NiHSNs的质量活性仅仅损失了21.6%,远低于Pt/C损失的活性比例.Tafel曲线和旋转环盘测试结果表明, Pt-NiHSNs在ORR反应中发生的是4电子过程,证实了它的高活性.另外,在酸性溶液中, Pt-NiHSNs表现出了比商业Pt/C更好的MOR催化活性,且抗CO中毒能力更强.这可归因于两点:(1) Pt-Ni HSNs是由多个小颗粒组装而成,大大提高了与电解液的接触面积;(2)它独特的骨架结构减少了颗粒间团聚的可能性,有利于质子的转移.本文为设计先进的铂基电催化剂提供了一种新的自组装方法.     

负载铂的缺陷活性炭作为一种在碱性条件下具有优异氧还原反应性能的催化剂（英文）

燃料电池因其高的能量转化效率和无污染的特点而被认为是目前最有发展前景的高效清洁发电技术,然而燃料电池迟缓的阴极氧还原反应(ORR)极大地降低了其整体性能.目前,铂碳(Pt/C)仍然是催化ORR最有效的催化剂.但是,由于Pt的价格很高以及其稳定性差等缺点极大地限制了燃料电池的大规模化应用,因此设计与开发廉价高效稳定的ORR电催化剂对实现燃料电池的大规模商业化应用具有重要的意义.在过去的几十年中,研究发现Pt和其他的非贵金属形成合金,如Pt-Fe,Pt-Ni和Pt-Co等不仅可以降低Pt的用量,而且也可以使所得催化剂具有较高的ORR活性.此外,研究发现核-壳结构也可以提高铂基ORR催化剂的活性与稳定性.但是,这些催化剂的制备一般会使用毒性和危险性较高的有机化学试剂并且其制备过程繁杂,因此并不适用于大规模的实际生产.从这个角度来说,开发一种简易的方法来制备高效廉价的ORR催化剂显得尤为重要.之前的研究表明,Pt的载体对提高所得ORR催化剂来说非常关键.可以发现大部分载体都是经过改进的碳材料,如微孔/介孔材料,杂原子掺杂的石墨烯以及缺陷碳等.尤其是我们课题组最近提出的一种缺陷催化机理表明,在碳材料中特定类型的缺陷(如缺陷活性炭(D-AC)和缺陷石墨烯等)可以使纯的碳材料具有很高的电催化活性.尽管D-AC的ORR催化活性在不含金属的催化剂中位居前列,但是其催化性能仍然比商业化的Pt/C差.鉴于此,如果我们可以通过使用具有较高ORR催化活性的D-AC作为Pt的载体而降低Pt的用量,但并不牺牲其催化活性,这将是一个很具有前景的方法来解决昂贵ORR催化剂的问题,进而有可能实现燃料电池的大规模化生产.在本研究中,我们通过一种简易的液相浸渍法以D-AC作为Pt的载体而制备了一种高效的ORR催化剂.具体来说,我们通过调节合成过程中的还原温度实现了控制所得催化剂中Pt颗粒尺寸的目的,同时我们也对催化剂中的Pt含量对其催化性能的影响进行了探讨.研究表明,所得催化剂中Pt的颗粒尺寸以及其结晶性都可能影响其ORR催化活性.更为重要的是,所得样品D-AC@5.0%Pt中含有约5 wt%的Pt,然而其在碱性条件下的ORR催化活性已经超过了商业化的含有20 wt%Pt的Pt/C,例如其起始电位和半波电位都优于商业化的Pt/C,并且其稳定性也比商业化的Pt/C好.除此之外,D-AC@5.0%Pt在催化ORR的过程中表现出了一种一步四电子的反应路径,而且中间产物过氧化氢的产率很低.所得催化剂D-AC@5.0%Pt优异的ORR反应活性表明D-AC中的特殊缺陷以及负载的Pt纳米颗粒都对提高其催化活性具有很大的贡献,同时也说明选择合适的载体对提高电催化剂的活性至关重要.实验结果还表明,D-AC@5.0%Pt在酸性条件下的ORR催化活性也有一定的提高,虽然比商业化的Pt/C要差一些.更进一步减小Pt的颗粒尺寸到亚纳米甚至原子级别可能会明显地提高其在酸性电解液中的ORR催化活性.     

负载铂的缺陷活性炭作为一种在碱性条件下具有优异氧还原反应性能的催化剂

燃料电池因其高的能量转化效率和无污染的特点而被认为是目前最有发展前景的高效清洁发电技术,然而燃料电池迟缓的阴极氧还原反应(ORR)极大地降低了其整体性能.目前,铂碳(Pt/C)仍然是催化ORR最有效的催化剂.但是,由于Pt的价格很高以及其稳定性差等缺点极大地限制了燃料电池的大规模化应用,因此设计与开发廉价高效稳定的ORR电催化剂对实现燃料电池的大规模商业化应用具有重要的意义.在过去的几十年中,研究发现Pt和其他的非贵金属形成合金,如Pt-Fe,Pt-Ni和Pt-Co等不仅可以降低Pt的用量,而且也可以使所得催化剂具有较高的ORR活性.此外,研究发现核-壳结构也可以提高铂基ORR催化剂的活性与稳定性.但是,这些催化剂的制备一般会使用毒性和危险性较高的有机化学试剂并且其制备过程繁杂,因此并不适用于大规模的实际生产.从这个角度来说,开发一种简易的方法来制备高效廉价的ORR催化剂显得尤为重要.之前的研究表明,Pt的载体对提高所得ORR催化剂来说非常关键.可以发现大部分载体都是经过改进的碳材料,如微孔/介孔材料,杂原子掺杂的石墨烯以及缺陷碳等.尤其是我们课题组最近提出的一种缺陷催化机理表明,在碳材料中特定类型的缺陷(如缺陷活性炭(D-AC)和缺陷石墨烯等)可以使纯的碳材料具有很高的电催化活性.尽管D-AC的ORR催化活性在不含金属的催化剂中位居前列,但是其催化性能仍然比商业化的Pt/C差.鉴于此,如果我们可以通过使用具有较高ORR催化活性的D-AC作为Pt的载体而降低Pt的用量,但并不牺牲其催化活性,这将是一个很具有前景的方法来解决昂贵ORR催化剂的问题,进而有可能实现燃料电池的大规模化生产.在本研究中,我们通过一种简易的液相浸渍法以D-AC作为Pt的载体而制备了一种高效的ORR催化剂.具体来说,我们通过调节合成过程中的还原温度实现了控制所得催化剂中Pt颗粒尺寸的目的,同时我们也对催化剂中的Pt含量对其催化性能的影响进行了探讨.研究表明,所得催化剂中Pt的颗粒尺寸以及其结晶性都可能影响其ORR催化活性.更为重要的是,所得样品D-AC@5.0%Pt中含有约5 wt%的Pt,然而其在碱性条件下的ORR催化活性已经超过了商业化的含有20 wt%Pt的Pt/C,例如其起始电位和半波电位都优于商业化的Pt/C,并且其稳定性也比商业化的Pt/C好.除此之外,D-AC@5.0%Pt在催化ORR的过程中表现出了一种一步四电子的反应路径,而且中间产物过氧化氢的产率很低.所得催化剂D-AC@5.0%Pt优异的ORR反应活性表明D-AC中的特殊缺陷以及负载的Pt纳米颗粒都对提高其催化活性具有很大的贡献,同时也说明选择合适的载体对提高电催化剂的活性至关重要.实验结果还表明,D-AC@5.0%Pt在酸性条件下的ORR催化活性也有一定的提高,虽然比商业化的Pt/C要差一些.更进一步减小Pt的颗粒尺寸到亚纳米甚至原子级别可能会明显地提高其在酸性电解液中的ORR催化活性.     

铂基氧还原催化剂在活性和稳定性方面的挑战

在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中,由于阴极氧还原反应（ORR）速率缓慢,因此开发高效的ORR催化剂是实现燃料电池商业化的关键. 世界各地的研究人员在提高催化剂活性和耐久性方面做出了不懈的努力. 目前,铂基催化剂仍然是商业应用上的首选,为开发实用的低铂氧还原催化剂,研究人员开展了大量的研究. 本文说明了ORR反应遇到的挑战,并介绍了近年来铂基氧还原催化剂的研究进展,具体包括ORR机理、铂核壳结构、一维纳米Pt催化剂和其他的代表性工作.     

界面合金化的Pt^Ag催化剂对阴极氧还原反应的电催化特点

分别在酸性和碱性电解质中研究了界面合金化的纳米Ag承载Pt纳米结构催化剂Pt0.5^Ag-B/C(Pt/Ag原子比为0.5)对氧还原反应(ORR)的电催化特点.结果表明,该催化剂对ORR的半波电势(E1/2)与通常的Pt/C催化剂(E-TEK公司)相当,但前者的本征电催化活性是后者的近两倍.与未合金化的Pt0.5^Ag-A/C相比,在Pt0.5^Ag-B/C催化剂中形成的合金化的Pt/Ag界面不仅使ORR的E1/2正移,而且明显提高了贵金属Pt的分散度或利用率.     

三元合金氧还原电催化剂

质子交换膜燃料电池作为重要的电化学能源转换装置,在提高能量转换效率、减少环境污染等方面具有诱人的前景.然而,阴极氧还原过电位较大、活性较低、稳定性差,且铂基催化剂昂贵,使该燃料电池难以商业化.纳米结构电催化剂的发展有望解决此难题。对纳米合金电催化剂其组分和结构的设计是开发高活性、高稳定性和低成本的燃料电池电催化剂的重要因素.本文综述了近期由分子设计和热化学控制处理法制备的三元纳米合金电催化剂对燃料电池氧还原反应催化性能的最新进展.该方法可控制纳米合金的尺寸、组成以及二元和三元纳米催化剂的合金化程度.以高活性的三元纳米合金催化剂PtNiCo/C为例,综述了在设计燃料电池电催化剂时结构和组成的纳米级调优的重要性.PtNiCo/C电催化剂的质量比活性远高于其二元合金催化剂和Pt/C商业电催化剂.三元电催化剂的催化活性可通过控制其组成来调节.文章还讨论了三元纳米合金催化剂的结构及其协同效应对增强其电催化性能的影响.     

表面富集的超小铂纳米颗粒耦合缺陷磷化钴用于高效的电催化水分解和柔性锌空气电池（英文）

开发多功能的纳米电催化剂可以提高单位催化剂表面活性密度.本课题组采用热解和还原工艺制备了具有多功能电催化性能的超小铂纳米颗粒耦合缺陷CoP的纳米材料(Pt/d-CoP/NPC),它具有较高的氧还原反应(ORR)半波电位(0.82 V).所合成的Pt/d-CoP/NPC电催化剂具有良好的电催化析氢反应活性,当反应活性达到10 mA cm^-2时,过电位分别为33 mV@1mol/L KOH, 10 mV@0.5 mol/L H₂SO₄和70 mV@1 mol/L PBS.Pt/d-CoP/NPC催化剂还表现出较好的析氧反应活性.以合成的催化剂Pt/d-CoP/NPC作为电极组装的全解水装置和可充电锌空气电池具有良好的活性和稳定性,可以持续有效地驱动全解水产氢,在存储可再生能源方面的具有较好的应用潜力.采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱测试和傅里叶红外光谱测试(FTIR)等技术研究了Pt颗粒与CoP之间的相互作用,并利用密度泛函理论(DFT)计算研究了催化剂的ORR反应机制.Pt/d-CoP/NPC在129.3 (2p<...     

高分散钴氮共掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂

过渡金属氮掺杂碳基催化剂已成为替代铂基氧还原反应(ORR)电催化剂的理想选择。本文通过静电纺丝技术制备了高比表面、高度分散的钴原子配位氮掺杂的碳纳米纤维催化剂(Co-N/C)。X射线衍射(XRD)和高分辨率透射电镜(HRTEM)结果证实Co元素高度分散于制备的Co-N/C催化剂中。X射线光电子能谱结果表明N元素主要以吡啶N和石墨N形式存在。该Co-N/C催化剂对ORR反应呈现出较高的电催化活性,其氧还原起始和半波电位分别为0.92 V和0.80 V(相对于标准氢电极),接近于商业化Pt/C催化剂的性能。以制备的Co-N/C催化剂作为阴极,25℃下锌空气燃料电池的开路电位1.54 V、最大功率密度达到了190 m V·cm~(-2)表明该催化剂具有良好的应用前景。     

基于金属有机框架衍生的Fe-N-C纳米复合材料作为高效的氧还原催化剂（英文）

开发用于氧还原反应(ORR)的低成本和高性能的非贵金属催化剂(NPMC)对于燃料电池的商业化至关重要。在这里,我们介绍了一种简单合成的由Fe3C纳米粒子包裹在介孔N掺杂碳(Fe-NC)中的NPMC材料,包括MIL-100(Fe)与葡萄糖和尿素的物理混合,以及随后在惰性气体下的热解。由此获得的Fe-N-C-900 (在900°C下制备的材料)表现出优异的电催化活性,高耐久性和对ORR卓越的甲醇耐受性,其催化性能与商业Pt/C在碱性介质中的催化性能相当。Fe-N-C-900在ORR中表现出优异的催化活性和稳定性,这是由于其较大的BET比表面积,较大的孔体积,氮掺杂剂,活性Fe3C纳米粒子以及其中活性官能团之间的协同效应。     

电沉积制备的PtNi纳米粒子用于氧还原反应:成核和生长机理

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)电堆中阴极Pt基催化剂的高用量造成其成本居高不下,成为阻碍燃料电池汽车商业化推进的重要原因,因此开发低Pt、高活性的Pt基催化剂势在必行.Pt合金催化剂能够有效地降低Pt用量,并通过对合金颗粒的元素比例、晶面、粒径等实行精确调控,显著提升氧还原(ORR)催化活性.然而,目前常用的制备方法由于原料与制备成本高昂、过程复杂大都难以适应规模化生产需求.电化学方法通过控制施加的电流或电位控制晶体生长.在水体系中该方法已得到验证,但由于Pt化合物的热力学标准电极电位与过渡金属元素之间相差较大,且对于过渡金属来说,电负性大多小于铂,因此还原电位通常负于析氢电位,使得二者难以实现共沉积.有机体系中电位窗口比水体系大得多,Pt与电位较负的过渡金属可实现共沉积,采用小分子有机溶剂也可避免溶剂清洗问题,具有应用潜力.本文提出了一种简单的一步电沉积方法,选择易溶于水的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂,将碳载体滴涂到玻碳电极上作为工作电极,通过电化学方法直接将Pt-Ni合金沉积到碳载体上,并利用物化表征与密度泛函理论(DFT)理论计算来探究共沉积机理.透射电镜表征结果表明,在不同的沉积电位下均可得到分散均匀、粒径适当的催化剂;且随着电位值降低,催化剂颗粒分散得更均匀,颗粒粒径不断减小.元素分布和晶面结果表明,铂镍元素均匀分布于颗粒中.所有样品均表现出优异的ORR性能,最高的面积比活性达到商业催化剂的6.85倍.将材料表征、电化学表征与DFT计算结合,建立起了铂镍合金生长过程的模型,并发现了有机体系中独特的成核-生长机理.将体系中的DMF换成超纯水,用同样的方法进行沉积,得到的催化剂颗粒团聚严重,说明DMF的使用能够避免颗粒团聚.在单独铂的体系中沉积发现,负载量极小,表明体系中镍前驱体的添加对于催化剂的沉积过程起到重要作用.电化学表征结果表明,在所选用的DMF有机体系中,镍的还原电位与铂的十分接近,但还原动力学更慢,趋向于先形成吸附原子后快速还原.由此可以推测,在二者合金的形成过程中,镍在碳载体表面的缓慢还原而形成的吸附原子能够成为铂还原的活性位点,从而降低了铂还原成核所需的能量,使得载体上的成核位点大大增加,这与DFT模拟结果一致.DFT建立了碳上镍的位点和铂的位点,分别在上面进行铂的还原,发现镍位点上比铂位点上更容易实现铂沉积.本文提出了铂镍共沉积的机理:在过电位(即还原能量)下,铂的还原动力学较镍稍快,于是铂先还原形成晶核,但难以达到生长的临界半径,于是单独铂体系中的沉积负载量很少.载体上还原的镍为铂还原提供了大量的活性位点,促进了铂还原,并与镍共沉积.Pt-Ni表面则进一步促进了铂的沉积和颗粒的生长.综上,本文提出了一种用于制备铂合金催化剂的有机电沉积体系,实现了单分散的碳载铂镍合金催化剂的一步制备.随后,本文将材料表征、电化学表征与DFT计算相结合,建立起了有机体系中铂镍合金成核-生长过程的机理模型.     

电沉积制备的PtNi纳米粒子用于氧还原反应:成核和生长机理

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)电堆中阴极Pt基催化剂的高用量造成其成本居高不下,成为阻碍燃料电池汽车商业化推进的重要原因,因此开发低Pt、高活性的Pt基催化剂势在必行.Pt合金催化剂能够有效地降低Pt用量,并通过对合金颗粒的元素比例、晶面、粒径等实行精确调控,显著提升氧还原(ORR)催化活性.然而,目前常用的制备方法由于原料与制备成本高昂、过程复杂大都难以适应规模化生产需求.电化学方法通过控制施加的电流或电位控制晶体生长.在水体系中该方法已得到验证,但由于Pt化合物的热力学标准电极电位与过渡金属元素之间相差较大,且对于过渡金属来说,电负性大多小于铂,因此还原电位通常负于析氢电位,使得二者难以实现共沉积.有机体系中电位窗口比水体系大得多,Pt与电位较负的过渡金属可实现共沉积,采用小分子有机溶剂也可避免溶剂清洗问题,具有应用潜力.本文提出了一种简单的一步电沉积方法,选择易溶于水的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂,将碳载体滴涂到玻碳电极上作为工作电极,通过电化学方法直接将Pt-Ni合金沉积到碳载体上,并利用物化表征与密度泛函理论(DFT)理论计算来探究共沉积机理.透射电镜表征结果表明,在不同的沉积电位下均可得到分散均匀、粒径适当的催化剂;且随着电位值降低,催化剂颗粒分散得更均匀,颗粒粒径不断减小.元素分布和晶面结果表明,铂镍元素均匀分布于颗粒中.所有样品均表现出优异的ORR性能,最高的面积比活性达到商业催化剂的6.85倍.将材料表征、电化学表征与DFT计算结合,建立起了铂镍合金生长过程的模型,并发现了有机体系中独特的成核-生长机理.将体系中的DMF换成超纯水,用同样的方法进行沉积,得到的催化剂颗粒团聚严重,说明DMF的使用能够避免颗粒团聚.在单独铂的体系中沉积发现,负载量极小,表明体系中镍前驱体的添加对于催化剂的沉积过程起到重要作用.电化学表征结果表明,在所选用的DMF有机体系中,镍的还原电位与铂的十分接近,但还原动力学更慢,趋向于先形成吸附原子后快速还原.由此可以推测,在二者合金的形成过程中,镍在碳载体表面的缓慢还原而形成的吸附原子能够成为铂还原的活性位点,从而降低了铂还原成核所需的能量,使得载体上的成核位点大大增加,这与DFT模拟结果一致.DFT建立了碳上镍的位点和铂的位点,分别在上面进行铂的还原,发现镍位点上比铂位点上更容易实现铂沉积.本文提出了铂镍共沉积的机理:在过电位(即还原能量)下,铂的还原动力学较镍稍快,于是铂先还原形成晶核,但难以达到生长的临界半径,于是单独铂体系中的沉积负载量很少.载体上还原的镍为铂还原提供了大量的活性位点,促进了铂还原,并与镍共沉积.Pt-Ni表面则进一步促进了铂的沉积和颗粒的生长.综上,本文提出了一种用于制备铂合金催化剂的有机电沉积体系,实现了单分散的碳载铂镍合金催化剂的一步制备.随后,本文将材料表征、电化学表征与DFT计算相结合,建立起了有机体系中铂镍合金成核-生长过程的机理模型.     

Hollow PtFe Alloy Nanoparticles Derived from Pt-Fe3O4 Dimers through a Silica-Protection Reduction Strategy as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts

The development of efficient and stable electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) is critical for the large-scale production of fuel cells. Platinum (Pt) nanoparticle catalysts show excellent performance for ORR, though the high cost of Pt is a limiting factor that directly impacts fuel cell production costs. Alloying Pt with other transition metals is an effective strategy to reduce Pt utilization whilst maintaining good ORR performance. In this work, novel hollow PtFe alloy catalysts were successfully synthesized by high-temperature pyrolysis of SiO₂-coated Pt-Fe₃O₄ nanoparticle dimers supported on carbon at 900 °C, followed by SiO₂ shell removal and partial dealloying of the PtFe nanoparticles formed using HF. The obtained hollow PtFe nanoparticle catalysts (denoted herein as PtFe-900) showed a 2.3-fold enhancement in ORR mass activity compared to PtFe nanoparticles synthesized without SiO₂ protection, and a remarkable 7.8-fold enhancement relative to a commercial Pt/C catalyst. Further, after 10 000 potential cycles, the ORR mass activity of PtFe-900 remained very high (90.9 % of the initial mass activity). The outstanding ORR performance of PtFe-900 can be attributed to the modification of Pt lattice and electronic structure by alloying with Fe at high temperature under the protection of the SiO₂ coating. This work guides the development of improved, highly dispersed Pt-based alloy nanoparticle catalysts for ORR and fuel cell applications.     

Tungsten carbide nanocrystal promoted Pt/C electrocatalysts for oxygen reduction

Tungsten carbide nanocrystals on carbon (W2C/C) and tungsten carbide nanocrystals and Pt on carbon (Pt-W2C/C) composite electrocatalysts were prepared by the intermittent microwave heating (IMH) method and tested for the electroreduction of oxygen in the acidic media for the first time. The results revealed that the tungsten carbide nanocrystal promoted Pt/C electrocatalyst was very active for ORR with the onset potential of 1.0 V vs SHE at ambient temperature that is over 100 mV more positive compared with that of traditional Pt/C electrocatalyst. The kinetic parameters were determined. The exchange current densities at both high and low overpotential regions are two orders higher for ORR on Pt-W2C/C than that on Pt/C, showing a synergetic effect to improve the activity for ORR. The novel electrocatalysts show a poisoning resistant property toward methanol.     

表面修饰型铂基氧还原电催化剂研究进展

氧气还原反应是燃料电池中的重要电极反应,但其动力学过程非常迟缓,需高度依赖资源稀缺、价格高昂的贵金属Pt。加之Pt基催化剂还面临着实际工况下耐久性不足的问题,这些都严重阻碍了燃料电池的产业化进程。对Pt基纳米催化剂进行表面功能化修饰可有效优化和提升其氧还原活性和稳定性。本文综述了最近几年表面修饰型Pt基氧还原催化剂的最新研究,着重探讨了表面修饰物的选择、表面修饰的手段和策略以及表面修饰前后对催化剂氧还原性能的影响,并指出该类型催化剂未来发展方向。     

Efficient Oxygen Reduction Reaction (ORR) Catalysts Based on Single Iron Atoms Dispersed on a Hierarchically Structured Porous Carbon Framework

Single Fe atoms dispersed on hierarchically structured porous carbon (SA‐Fe‐HPC) frameworks are prepared by pyrolysis of unsubstituted phthalocyanine/iron phthalocyanine complexes confined within micropores of the porous carbon support. The single‐atom Fe catalysts have a well‐defined atomic dispersion of Fe atoms coordinated by N ligands on the 3D hierarchically porous carbon support. These SA‐Fe‐HPC catalysts are comparable to the commercial Pt/C electrode even in acidic electrolytes for oxygen reduction reaction (ORR) in terms of the ORR activity (E_1/2=0.81 V), but have better long‐term electrochemical stability (7 mV negative shift after 3000 potential cycles) and fuel selectivity. In alkaline media, the SA‐Fe‐HPC catalysts outperform the commercial Pt/C electrode in ORR activity (E_1/2=0.89 V), fuel selectivity, and long‐term stability (1 mV negative shift after 3000 potential cycles). Thus, these nSA‐Fe‐HPCs are promising non‐platinum‐group metal ORR catalysts for fuel‐cell technologies.     

Relating structural aspects of bimetallic Pt(3)Cr(1)/C nanoparticles to their electrocatalytic activity, stability, and selectivity in the oxygen reduction reaction

Two methods were used to prepare bimetallic Pt(3)Cr(1)/C nanocatalysts with similar composition but different alloying extent (structure). We investigated how these differences in alloying extent affect the catalytic activity, stability and selectivity in the oxygen reduction reaction (ORR). One method, based on slow thermal decomposition of the Cr precursor at a rate that matches that of chemical reduction of the Pt precursor, allows fine control of the composition of the Pt(3)Cr(1)/C alloy, whereas the second approach, using the ethylene glycol method, results in considerable deviation (>25 %) from the projected composition. Consequently, these two methods lead to variations in the alloying extent that strongly influence the Pt d-band vacancy and the Pt electroactive surface area (Pt ESCA). This relationship was systematically evaluated by transmission electron microscopy, X-ray absorption near edge structure spectroscopy, and electrochemical analysis. The ORR activity depends on two effects that nullify each other, namely, the number of active Pt sites and their activity. The Pt-site activity is more dominant in governing the ORR activity. The selectivity of the nanocatalyst towards the ORR and the competitive methanol oxidation reaction (MOR) depend on these two effects acting in cooperation to give enhanced ORR activity with suppressed MOR. The number of active Pt sites is associated with the Pt ESCA value, while Pt-site activity is associated with the alloying extent and Pt d-band vacancy (electronic) effects. The presence of Cr atoms in Pt(3)Cr(1)/C enhances stability during electrochemical treatment. Overall, the Pt(3)Cr(1)/C catalyst prepared by controlled-composition synthesis was shown to be superior in ORR activity, selectivity and stability owing to its favorable alloying extent, Pt d-band vacancy, and Pt ESCA.     

Bimetallic Pt-Au nanocatalysts electrochemically deposited on graphene and their electrocatalytic characteristics towards oxygen reduction and methanol oxidation

The burgeoning demand for clean and energy-efficient fuel cell system requires electrocatalysts to deliver greater activity and selectivity. Bimetallic catalysts have proven superior to single metal catalysts in this respect. This work reports the preparation, characterization, and electrocatalytic characteristics of a new bimetallic nanocatalyst. The catalyst, Pt-Au-graphene, was synthesized by electrodeposition of Pt-Au nanostructures on the surface of graphene sheets, and characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), X-ray powder diffraction (XRD), and voltammetry. The morphology and composition of the nanocatalyst can be easily controlled by adjusting the molar ratio between Pt and Au precursors. The electrocatalytic characteristics of the nanocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) and the methanol oxidation reaction (MOR) were systematically investigated by cyclic voltammetry. The Pt-Au-graphene catalysts exhibits higher catalytic activity than Au-graphene and Pt-graphene catalysts for both the ORR and the MOR, and the highest activity is obtained at a Pt/Au molar ratio of 2:1. Moreover, graphene can significantly enhance the long-term stability of the nanocatalyst toward the MOR by effectively removing the accumulated carbonaceous species formed in the oxidation of methanol from the surface of the catalyst. Therefore, this work has demonstrated that a higher performance of ORR and the MOR could be realized at the Pt-Au-graphene electrocatalyst while Pt utilization also could be greatly diminished. This method may open a general approach for the morphology-controlled synthesis of bimetallic Pt-M nanocatalysts, which can be expected to have promising applications in fuel cells.     

Accelerating Oxygen‐Reduction Catalysts through Preventing Poisoning with Non‐Reactive Species by Using Hydrophobic Ionic Liquids

Developing cost‐effective electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) is a prerequisite for broad market penetration of low‐temperature fuel cells. A major barrier stems from the poisoning of surface sites by nonreactive oxygenated species and the sluggish ORR kinetics on the Pt catalysts. Herein we report a facile approach to accelerating ORR kinetics by using a hydrophobic ionic liquid (IL), which protects Pt sites from surface oxidation, making the IL‐modified Pt intrinsically more active than its unmodified counterpart. The mass activity of the catalyst is increased by three times to 1.01 A mg^?1_Pt@0.9 V, representing a new record for pure Pt catalysts. The enhanced performance of the IL‐modified catalyst can be stabilized after 30 000 cycles. We anticipate these results will form the basis for an unprecedented perspective in the development of high‐performing electrocatalysts for fuel‐cell applications.