苏州大学黄小青JACS.：PtPb(金属间化合物)/PtNi(原子层)“缔结良缘”实现对氧还原的高效催化

【引言】

燃料电池因其高效性、轻巧便携性、环境友好性等优点在商业领域得到了广泛应用,Pt基材料作为阴极氧还原反应（ORR）电催化剂，虽然催化性能优异，但其成本较高，因而制约了它的实际应用为了解决这一问题，各研究学者对Pt和过渡金属合金相进行了大量研究，发现了以下现象：（1）合金相的Pt-Ni NCs在各方面表现更为突出；（2）具有超薄Pt层的核壳结构既降低Pt的使用，又可有效增强对ORR的催化性能和寿命,但单一组分的核或壳层限制了ORR增强效应的活性和寿命。因此，如何有效调控Pt-基金属间化合物的形貌、结构和电子效应，合理地将化学结构稳定的PtM金属间化合物与高活性的PtNi结合，实现表面组分、暴露面、内部结构的联合调控，依然是一个很大的挑战。

【成果简介】

近日，苏州大学黄小青教授（通讯作者）课题组在JACS.上发表了一篇名为“PtPb/PtNi Intermetallic Core/Atomic Layer Shell Octahedra for Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysis”的文章，研究人员使用湿化学方法首次合成金属间化合物Pt-Pb-Ni正八面体。具有金属间化合物核和高活性表面组分的PtPb_1.12Ni_0.14正八面体有效增强了氧还原电催化作用，其面积比活性和质量比活性分别约为商业化Pt/C的20倍、11倍，且在持续15000次循环使用后活性度下降甚微。对燃料电池而言，这种性能增强的Pt-基电催化剂无疑是一种很好的选择。

【图文导读】

图一 PtPb正八面体的生长机制

(a-e) 不同反应时间段Pt-Pb的TEM图像, (a) 0.5h, (b) 1h, (c) 3h, (d) 5h, (e) 6h；

(f) 不同反应时间段Pt-Pb的SEM-EDS图谱；

(g) 反应过程中Pt-Pb正八面体的Pt/Pb原子比率变化曲线(ICP-AES)；

(h) 不同反应时间的Pt-Pb正八面体的PXRD图谱；

图二 PtPb_1.03Ni_0.05, PtPb_1.07Ni_0.10, PtPb_1.12Ni_0.14正八面体的形貌结构表征

(a, b) PtPb_1.03Ni_0.05正八面体的TEM图像和元素映射图谱，内部附图是HAADF-STEM图谱；

(c, d) PtPb_1.07Ni_0.10正八面体的TEM图像和元素映射图谱，内部附图是HAADF-STEM图谱；

(e, f) PtPb_1.12Ni_0.14正八面体的TEM图像和元素映射图谱，内部附图是HAADF-STEM图谱。

图三 PtPb_1.03Ni_0.05, PtPb_1.07Ni_0.10, PtPb_1.12Ni_0.14正八面体的结构分析

(a, d, g) TEM图像；

(b, e, h) HRTEM图像；

(c, f, i) HAADF-STEM图谱；

(a-c) PtPb_1.03Ni_0.05正八面体, (d-f) PtPb_1.07Ni_0.10正八面体, (g-i) PtPb_1.12Ni_0.14正八面体。

图四 不同电极材料的ORR性能测试

(a) 在0.1M HClO₄中不同电催化剂的CVs曲线；

(b) 不同电催化剂的ESCA统计直方图；

(c) 不同电催化剂的ORR极化曲线；

(d) 不同催化剂的质量比活性图和面积比活性图。

图五 PtPb_1.12Ni_0.14正八面体/C、PtPb正八面体/C的ORR耐久性测试

(a) PtPb_1.12Ni_0.14正八面体/C的ORR极化曲线；

(b) 不同循环次数后PtPb_1.12Ni_0.14正八面体/C的质量比活性和面积比活性；

(c) Pt正八面体/C的ORR极化曲线；

(d) 不同循环次数后PtPb正八面体/C的质量比活性和面积比活性；

(e, f) 循环15000次后PtPb_1.12Ni_0.14正八面体/C的HAADF-STEM和元素映射图像。

【小结】

本文介绍了一种简单易行的湿化学方法，用于合成形貌、尺寸、组分有效可控的PtPb，Pt_1.21Pb，PtPb_1.03Ni_0.05，PtPb_1.07Ni_0.10，PtPb_1.12Ni_0.14金属间化合物NCs。PtPb/PtNi核壳结构的PtPb_1.12Ni_0.14正八面体NCs具有突出的稳定性和耐久性，其催化性能不仅优于PtPb正八面体、PtPb/Pb核壳正八面体NCs，更是Pt/C NCs质量比活性、面积比活性的11倍、20倍，是目前最有前景ORR电催化剂。研究者们期望以此推动Pt-基NCs结构、相、表面组分可控的设计研究，实现在非均相反应、燃料电池及更多领域的广泛应用。

文献链接：PtPb/PtNi Intermetallic Core/Atomic Layer Shell Octahedra for Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysis (JACS., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b03510)

本文由材料人编辑部朱喜月编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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