厦大黄小青教授Angew: 中/高熵混合核/壳纳米片直接甲酸燃料电池

石浩东大化所 2年前 (2023-04-23) 2377浏览

 

  • 【导读】

与传统合金相比，高熵合金（High-entropy alloy，HEA）由于固有的多样性和结构稳定性优势，可以表现出截然不同的结构和电子性能。其精确控制仍处于初级阶段。到目前为止，纳米级 HEA 的报道主要集中在纳米粒子，它们的形态控制很少见也极具有挑战性。纳米级 HEA 的结构控制困境与金属原子的巨大不同物理化学性质高度相关，包括原子尺寸、晶体结构和电负性。整合多种元素以形成稳定的固溶体已经具有挑战性， 无论是否获得具有结构控制的 HEA。受益于结构控制和纳米级 HEA 的共同优点，其非凡的物理化学性质和催化性能备受期待。

二、【成果掠影】

近日，厦大黄小青教授课题组构建了一类独特的 PtBiPbNiCo HEA 六方纳米板 (HEA HPs)，具有中熵核/高熵原子层壳的新型纳米结构，对甲酸氧化反应 (FAOR) ，甚至在直接甲酸燃料电池 (DFAFC) 的运行膜电极组件 (MEA) 条件下具有优异的性能，该工作为燃料电池催化剂提供了一个有前景的材料平台。相关研究成果以“Medium/High-Entropy Amalgamated Core/Shell Nanoplate Achieves Efficient Formic Acid Catalysis for Direct Formic Acid Fuel Cell”为题在Angew Chem. Int. Ed.上发表。

 

三、【核心创新点】

√独特的 HEA HPs 由新型金属间 PtBiPb 核和 PtBiNiCo 壳构成。值得注意的是，对于 FAOR，HEA HPs/C 的比活度和质量活度高达 27.2 mA cm-2 和 7.1 A mgPt-1，优于迄今为止报道的所有 Pt 基 FAOR 催化剂。

 

 四、【数据概览】

图1 HEA HP的形态和结构表征。(a) HAADF-STEM 图像。单个 HEA HP 的 HAADF-STEM-EDS 插图。(b) TEM 图像。(c) HRTEM 图像。插图分别用 He 和 Ne 抛光处理的ISS，每次 120 s（三次抛光后厚度为 1~2 nm）。(d) 顶视图和 (e) 侧视图的元素分布。(f) Pt L 边缘的 XANES图。(g) FT-EXAFS图。(h) HEA HP、Pt 箔和 PtO2 的 EXAFS 光谱的 WT图。© 2023 Xiamen University

图2 HEA HP 的原子级结构分析。(a) 从顶视图看单个 HEA HP 的 AC-HAADF-STEM 图像。(b) 从 (a) 中的选定区域和所示区域的强度剖面。(c) 从 (a) 中的选定区域。(d) HEA HPs 核心和相应的原子分辨率元素分布。(e) 相应的顶视图原子模型。(f) 从侧面看单个 HEA HP 的 AC-HAADF-STEM 图像。(g) 从 (f) 中的选定区域。(h) 相应的侧视图原子模型。(e) 和 (h) 中的深蓝色、橙色、绿色、白色和红色的彩色球分别代表 Pt、Pb、Bi、Ni 和 Co。© 2023 Xiamen University

图3  HEA HPs/C 的性能评估。(a) 不同催化剂在 0.5 M H2SO4 中的 CV 曲线。(b) 不同催化剂在 0.5 M H2SO4 + 0.5 M HCOOH 中的正向扫描 CV 曲线。(c) 不同催化剂的质量和比活性。(d) FAOR 不同催化剂的电位依赖电流密度。(d) 中的插图是相对于 Pt/C 的电流密度比。(e) HEA HPs/C 的质量活性与报告的 FAOR 催化剂的比较。(f) 基于 HEA HPs/C 的直接甲酸燃料电池示意图。(g) MEA 在 9 M HCOOH 下的稳态极化和功率密度曲线。(h) HEA HPs/C 和商用 Pd/C 在 0.4 V 下的放电曲线。(h) 中的插图是不同时间段的相对电流衰减。© 2023 Xiamen University

图4 FAOR过程的机理研究。(a) 在 0.1 M H2SO4 + 0.05 M HCOOH 中 Er 为 −250 mV 和 Es 为 200 mV 的原位 FTIR。右图是波数范围从 2200 cm−1 到 1600 cm−1 的局部放大图。(b) Pt/C、(c) PtPb HPs/C 和 (d) HEA HPs/C 的原位 FTIR 电压跟踪从 -0.2 V 到 0.8 V。(e) Pt 4f 和 (f) Pb 4f 的 XPS 光谱。(g) HEA HPs/C、PtPb HPs/C 和 Pt/C 的 d 带中心。FAOR 的 (h) Pt/C、(i) PtPb HPs/C 和 (j) HEA HPs/C 的吉布斯自由能图。© 2023 Xiamen University

 

 

五、【成果启示】

该工作证明了一种新型的HEA-HP纳米结构，其具有有序的PtBiPb核和原子层状的PtBiNiCo壳的独特结构具有FAOR的巨大优势。HEA-HPs/C的比活性和质量活性可以达到27.2mAcm-2和7.1mgPt-1，分别是商业Pt/C的133倍和56倍，使其成为迄今为止在Pt/Pd基FAOR催化剂中实现的最有效的催化剂。更重要的是，HEA-HPs/C显著的MEA性能（321.2 mWcm-2的功率密度）和寿命（30小时后44.1%的剩余功率密度）进一步证明了HEA-HPs在实际DFAFC器件中的潜在应用。本研究重点介绍了用于燃料电池反应的高性能二维（2D）Pt基核/壳HEA的先进结构控制。

 

原文详情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202213783

本文由图图供稿

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