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徐峰副教授、木士春教授,Small成果:幾何工程:賦與多孔PtCu合金納米管高的甲醇氧化和氧還原反應性能

原創 徐峰副教授等 科學材料站 2022-03-30

文 章 信 息

幾何工程:賦與多孔PtCu合金納米管高的甲醇氧化和氧還原反應性能

第一作者:徐峰

通訊作者:木士春*

單位:福州大學,武漢理工大學

研 究 背 景

鉑(Pt)是一種性能優異且應用廣泛的催化劑,尤其是作為質子交換膜燃料電池催化劑,代表了最高的催化水平。然而,鉑資源稀缺,價格昂貴,有必要進一步提高其催化活性并降低用量。鉑基合金催化劑的開發正是基于這一研究思路,通過合金化使鉑的晶格收縮來降低氧分子的解離能。迄今,研究者們已開發了多種具有不同形貌及結構的鉑合金催化劑,如傳統的實心顆粒納米結構、新近發展的框架(frame)納米結構和表面富鉑(Pt-rich skinned)納米結構等。本論文通過幾何工程,制備了三種分別由不同PtCu納米顆?;M成的多孔納米管狀PtCu合金催化劑。具體而言,通過調節Pt前驅體和PVP的添加量,組成納米管的PtCu納米顆粒基元分別呈現出了均勻合金化納米實心顆粒、表面富鉑納米實心顆粒和多孔納米空心顆粒三種幾何構型。通過比較發現,由多孔納米空心顆?;獦嫵傻腜tCu納米管具有最高的氧還原反應(ORR)活性,而由均勻合金化納米實心顆?;獦嫵傻腜tCu納米管具有最優的甲醇氧化(MOR)性能。本文展示了一種能夠制備不同結構Pt合金催化劑的策略,并探討了不同結構對催化活性的影響,有助于在提高Pt基催化劑電催化活性的同時大幅降低貴金屬Pt用量,從而有力促進Pt基催化劑在燃料電池及其他能量轉換裝置中的應用。

文 章 簡 介

基于此,來自福州大學的徐峰副教授和武漢理工大學的木士春教授合作,在國際知名期刊Small上發表題為“Geometric Engineering of Porous PtCu Nanotubes with Ultrahigh Methanol Oxidation and Oxygen Reduction Capability”的文章。該文章展示了一種獨特的多孔納米管狀PtCu合金催化劑的制備方法,通過調節Pt前驅體和PVP的添加量,PtCu合金呈現出了均勻合金化實心納米顆粒、表面富鉑實心納米顆粒和多孔空心納米顆粒三種幾何構型。圖1. 多孔PtCu合金納米管的制備方法,以及作為基元的三種PtCu合金納米顆粒的幾何構型示意圖。

本 文 要 點

要點一:Pt和PVP的用量控制對PtCu合金納米顆粒幾何構型的影響

Pt和PVP的用量對于PtCu納米顆粒的幾何構型有著重要影響。當Pt的用量較低時,會形成多孔PtCu空心納米顆粒基元;當進一步提高Pt用量時,則會形成均勻合金化PtCu納米顆粒基元。PVP在高溫處理過程中形成的碳能與金屬發生作用,進而影響PtCu顆粒的幾何構型。此外,較高的PVP用量使得碳與金屬的作用增大,阻礙金屬原子的高溫擴散,形成均勻化PtCu合金顆?;?;進一步降低PVP用量則無法達到這種效果,導致在PtCu納米顆粒表面形成富鉑的原子層。
要點二:氧化銅納米片中間體的作用

將銅(Cu)納米線進行氫氧化鈉和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)處理后,其表面會形成氧化銅納米片。氫氧化鈉與PVP均起到了模板劑的作用,尤其當PVP的用量越大時,納米片的尺寸和密度也越大。氧化銅納米片在載鉑過程中能阻止Pt前驅體與Cu納米線直接發生置換反應,并使Pt膠體均勻分散在表面。這對于納米管結構的形成至關重要。
要點三:不同幾何構型PtCu合金納米顆?;獙Υ呋钚缘挠绊?/span>

在三種由不同幾何構型PtCu合金組成基元的納米管催化劑中,均勻合金化納米實心顆粒作為基元的PtCu納米管對甲醇氧化活性最高,其比活性(specific activity)是Pt/C的9.42倍;而多孔空心納米顆粒作為基元的納米管催化劑對ORR的活性最高,其比活性是Pt/C的4.85倍。其主要原因在于不同結構中,Pt:Cu比例的差別造成Pt電子結構的差異,改變了MOR和ORR反應中間物在Pt表面的吸附能。

文 章 鏈 接

Geometric Engineering of Porous PtCu Nanotubes with Ultrahigh Methanol Oxidation and Oxygen Reduction Capability

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202107387

通 訊 作 者 簡 介

木士春 教授    武漢理工大學首席教授,博士生導師。長期致力于碳基納米材料、質子交換膜燃電池和電解水催化劑的研究。以第一作者或通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等國內外期刊上發表260余篇高質量研究論文。

第 一 作 者 簡 介

徐峰 副教授    武漢理工大學材料學博士,導師木士春教授。曾于2011~2013年獲國家留學基金委資助赴英國牛津大學S. C. Edman Tsang教授課題組學習?,F工作于福州大學材料科學與工程學院。主要研究方向為納米結構材料在能源儲存和轉化中的應用,重點從事燃料電池和析氫反應、CO2電還原催化研究和應用。目前已發表SCI論文十余篇,授權中國發明專利9項。
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