文献导读 – Science：通过镧系金属调节铂合金的电催化性能

近日，丹麦科技大学Escudero-Escribano等人研究了一系列铂与镧系元素和碱金属组成的合金的ORR催化性能。相较于纯铂，性能最高提升了6倍。

燃料电池汽车作为新能源汽车，被认为是未来汽车动力发展的方向之一。它弥补了锂电汽车充电时间长，续航能力短，无法在低温下使用的缺点。铂作为聚合物膜燃料电池的阴极，具有很高的ORR催化性能。由于铂属于贵金属，因此降低铂的使用，同时获得高ORR催化性能显得十分有必要。

本文亮点在于系统的研究了镧系金属与铂组成合金的ORR催化性能。在氧气饱和的0.1 M HClO₄电解质溶液中，作者获得了铂-镧系合金优异的ORR性能；同时在0.6V~1.0V之间循环伏安10000圈，探究了其稳定性，并从微观上对合金失活给予进一步解释。作者通过对比铂-镧系合金，其ORR催化活性与体积晶格常数遵循火山峰关系。
图1. A为溅射清洗的金属合金（Pt₅M）原子分布，B为电化学测试之后的金属合金原子分布。C为镧系铂合金与碱金属铂合金的10000圈循环伏安扫后电流密度对比图。A、B中紫色为M金属原子，灰色为铂金属原子。可以直观看出，由于M原子不能稳定存在于溶液中，使得合金表面被一层铂覆盖，这也是C中10000圈后性能下降的原因。即使镧系铂合金性能下降，从C中可以看出其电流密度是纯铂的3倍。

图2. A、B表示，在酸性条件下测ORR，有1/2层的M金属被溶出，留下3/5层的铂。另外，镧系铂合金的晶格参数a与d从左向右逐渐减小。

图3.Ａ、B为电化学测试前后的XPS剖面图，铂层厚度具有呈现晶格参数和活性损失的功能。C为不同条件下的Pt₅Tb中Pt和Pb的原子比率；D为ORR和稳定性后，Pt₅Tm, Pt₅Dy, Pt₅Tb,Pt₅Gd, Pt₅Ce, and Pt₅La 的Pt层厚度；E为用Pt层厚度来表示活性损失百分比；F为不同铂合金的溶液过电势与压力的关系曲线。

图4. 在0.9V下测的铂合金催化剂的活性，氢吸附，Pt-Pt距离的火山图。

Escudero-Escribano等人认为镧系金属与铂有着很好的协同作用，这使得铂合金的ORR催化性能优于纯铂。文章最后认为，精心的调控合金组成加之合理的退火处理工艺，将会获得十分优异的催化活性和长久的稳定性。

本文于2016年发表在Science上（DOI: 10.1126/science.aad8892）

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