南京师范大学李亚飞JACS：PtTe单层材料作为氧还原反应电催化剂

【引言】

通过电化学反应将化学能直接转化为电能的燃料电池是未来能源供应需求最有前途的解决方案之一。然而燃料电池中阴极氧还原反应（ORR）的动力学比阳极反应慢得多，严重影响燃料电池的整体性能，并非常依赖于铂(Pt)等高效电催化剂的使用。但是铂基催化剂的高昂价格极大的限制了燃料电池的大规模应用。近年来，二维（2D）材料的兴起和单原子催化剂概念的提出为高效催化剂的开发带来了新的机遇。如果能在不牺牲催化性能的前提下大幅度的提高Pt基催化剂中Pt原子的利用率，将会为Pt基催化剂带来新的希望。

【成果简介】

近日，南京师范大学李亚飞教授课题组和德国德累斯顿工业大学Thomas Heine教授（共同通讯）等人基于密度泛函理论（DFT）计算，提出了一种新颖的2D含Pt材料作为ORR催化剂，即PtTe单层。单层PtTe具有良好的热力学、动力学以及化学稳定性，并且具有较低的剥离能，可以很容易通过机械或者液相剥离实验上早已合成的PtTe体相材料制得。PtTe单层由于含有铂原子内层，整体上体现金属特性。计算表明PtTe单层的表面具有优异的催化活性和对四电子（4e）ORR过程的高选择性。特别的是，微动力学模拟进一步指出其理论半波电位高达0.90 V，比Pt(111)面的理论值高出50 mV以上。因而PtTe单层有望作为一种良好的燃料电池阴极催化剂。该研究发表于Journal of the American Chemical Society，题为“PtTe Monolayer: Two-Dimensional Electrocatalyst with High Basal Plane Activity toward Oxygen Reduction Reaction”。

【图文导读】

图1. 几何结构视图与声子谱

PtTe单层的（a）几何结构的俯视图（上部）和侧视图（底部），以及（b）声子谱。蓝色和橙色球分别代表Pt和Te原子。

图2. 单层的能带结构和态密度及切面

（a）PtTe单层的能带结构（左）和态密度（DOS）（右）。（b）沿(001)方向的PtTe单层的电子局域功函数。I和II分别指示处于Pt-Pt和Pt-Te键中心的切面。等值面0和1分别表示低和高电子定域性。

图3. ORR中间体的几何构型和自由能曲线

ORR中间体的几何构型：（a）2O*，（b）O*+OH*，（c）O*和（d）OH*。红色和绿色球分别代表O和H原子。（e）在U=0 V下PtTe表面上的解离ORR途径的自由能曲线，Te-O键长以Å表示。

图4. 模拟的极化曲线

PtTe单层和Pt(111)的模拟极化曲线。Pt(111)的能量数据取自参考文献。

【小结】

本项工作在DFT计算的基础上，系统地研究了新型2D PtTe单层的结构、电子和催化性质。研究结果说明，PtTe单层是一种稳定的2D结构，并可以通过剥离方法获得。由于其存在Pt原子内层，PtTe单层具有金属性，十分有利于电催化过程。基于CHE模型的计算和微动力学模拟证明PtTe单层具有优异的催化活性和高4e过程选择性，是一个非常有前景的燃料电池阴极催化剂。作者等人非常有信心PtTe单层可在实验室中实现制备，并且在不久的将来可用作ORR催化剂。他们也希望该研究能够促进更多二维Pt基ORR催化剂的实验和理论的研究。

文献链接：PtTe Monolayer: Two-Dimensional Electrocatalyst with High Basal Plane Activity toward Oxygen Reduction Reaction (Journal of the American Chemical Society 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b08682)

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