Adv. Mater.：制备原子尺度具高指数面的八足纳米框架作为高活性高稳定性的催化剂

【引言】

近些年，特别是2015年以来燃料电池电动汽车的商业化，使得质子交换膜燃料电池已经取得了重大的进步。为了促进质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的全球商业化，氧还原（ORR）反应需要进一步降低成本，提高耐久性。然而，平衡纳米催化剂材料的活性和稳定性两个指标是一个巨大的挑战，为了提高活性，耐久性或两者，许多研究都致力于基于铂纳米催化剂的复杂结构工程， 特别是，金属纳米框架可以在纳米尺度形成相互连通的边界，提供3D的表面，高的体表率，原子利用率，认为是最有前景的催化剂之一。然而，纳米框架结构的原子尺度工程以及暴露的表面能适合催化性能要求却受到了限制。

【成果简介】

近日，中山大学沈培康教授课题组报道了一种简便一步法合成具有高指数面的3D催化表面八面体纳米框架结构（OFAs），这对于各种类型的纳米框架结构在原子水平工程方面是一种可靠的方法。他们利用油酰胺（OAM）以及溴化十六烷基三甲胺作为基本原料，这两种原料在合成纳米催化剂（NCs时都作为多功能的试剂。这种方法制成的PtCu OFAs的ORR反应比商业化的铂-碳催化剂提高20倍，最重要的是，这种催化剂在经过严格的电化学反应及热处理之后，循环数月还能保持原来的纳米框架结构。

【图文导读】

图1 一步法合成的PtCu OFAs 形貌及单相PtCu表面

(a) 透射电镜在低倍数下获取的PtCu 八面体纳米框架。

(b) 透射电镜在中等倍数下获取的PtCu 八面体纳米框架。

(c) 纳米框架足在像差校正后的透射电镜图。

(d) 单个八面体纳米框架结构的HAADF-STEM和EDX图。

图2 HAADF-STEM下不同结构的图以及HAADF-STEM、TEM、EDX在不同分辨率时的结构图。

(a) 凸八面体纳米框架结构在HAADF-STEM下的图。

(b) 菱形十二面体在HAADF-STEM下的图。

(c) Pt-Pd-Cu中空纳米框架结构在HAADF-STEM下的图。

(d)三种典型的铂基纳米框架在HAADF-STEM中等放大倍数下的图。

(e)三种典型的铂基纳米框架在高分辨率TEM下的图。

(f)三种典型的铂基纳米框架在EDX下的图。

图3 各种纳米结构框架的分类以及图解制备纳米结构的常用方法

(a) 各种纳米结构的分类

(b) 制备纳米结构的常用方法：

(i) 在高压灭菌器中磁力搅拌器协助一步法溶剂热合成OFAs；

(ii) 在形核阶段最初形成的立方八面体；

(iii) 除（100）面外其他面继续生长产生籽晶；

(iv) <111>方向沉积产生多相的八面体纳米框架；

(iv) 在NCs上不稳定的铜原子氧刻蚀，在富铂表面产生高指数面的八面体纳米框架。

图4 三种典型纳米框架的循环伏安图、ORR极化曲线及加速耐久性测试图。

(a) 记录在50 mV s^-1时三种典型的纳米框架和TKK-Pt/C催化剂的循环伏安图。

(b) 记录(a) 图中在10 mV s^-1时ORR极化曲线。

(c) 10000个电势循环前后PtCu八面体纳米框架催化剂的极化曲线。

(d) 这些催化剂在相对RHE电势0.9V时加速耐久性测试前后的大量活性。

【展望】

OFAs是在大量生产中既可以保留高活性和稳定性，还能大量降低成本的可实践性催化剂，期望可靠的合成方法，简单的合成步骤，复杂的纳米框架结构对于大量制备新型催化剂，不仅可以提供一条路径，也能适用大范围的应用。

原文链接：Atomic-Scale Preparation of Octopod Nanoframes with High-Index Facets as Highly Active and Stable Catalysts（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201601687）

本文由材料人编辑部新能源学术组 供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。