Nat. Commun.：原子级原位观察Pt3Co纳米颗粒中氧-驱动核壳结构的形成过程

【引言】

金属铂(Pt)是最为常用的燃料电池催化剂，然而相对有限的储量和相对较高的成本很大程度上限制了燃料电池的全面普及。核壳结构的铂-金属纳米颗粒不仅成本相对较低，而且氧还原反应(ORR)活性远高于纯Pt，有望成为替代Pt的理想催化剂。研究发现：壳层结构的压应变和配体效应是导致ORR催化活性增强的主要原因；后处理可以控制Pt壳层的组成，增强其ORR催化活性。需要指出的是，虽然目前可以实现在双金属内核上生长Pt壳层，但是有关核-壳结构形成的详细过程仍处有待进一步深入研究。核-壳结构的形成过程存在三个关键问题：第一，原子尺度上实现对核-壳的形成过程的实时直接跟踪；第二，找到反应条件下核-壳结构形成的推动力；第三，研究Pt壳生长和调控的新机制。

【成果简介】

近日，加州大学-尔湾分校的潘晓晴（通讯作者）等在Nature Communications发表了题为“In situ atomic-scale observation of oxygen-driven core-shell formation in Pt₃Co nanoparticles”的研究论文，报道了原子级原位观察Pt₃Co纳米颗粒中核壳结构的形成过程的最新研究成果。研究团队借助先进的原位透射电子显微镜揭示了常压高温下Pt-Co纳米颗粒不寻常的壳核结构形成过程。研究发现：首先表面金属Pt薄层的偏析与金属间内核的有序化同时发生，随后在氧退火处理期间通过Ostwald熟化逐层生长Pt壳层。基于密度泛函理论的计算表明：核壳结构的形成过程沿着能量降低的途径进行。该发现对于未来设计结构化铂合金纳米催化剂提供了一定的思路参考。

【图文导读】

图1. Pt₃Co/C的XRD和STEM表征结果

(a) Pt₃Co/C和Pt/C的XRD特征衍射谱图，插图为局部放大的(220)特征衍射峰；

(b) Pt₃Co NP沿[011]区域轴的HAADF-STEM图片。比例尺：2 nm；

(c) (b)中纳米颗粒的FFT图案；

(d) 沿<110>区域轴的八面体模型截面的投影。绿色球体对应于在无序Pt₃Co相中随机分布的Pt原子和Co原子。

图2. 氧气氛围中720 ℃退火，Pt₃Co NP的原位结果

(a) HAADF-STEM图像，表明在氧气氛围中退火30分钟后得到Pt₃Co NP。比例尺：2 nm；

(b) (a)中纳米颗粒的FFT图案；

(c) L1₂相的单元表明Pt₃Co为有序的金属间结构。 黄色和蓝色球体分别代表Pt和Co原子；

(d) 从蓝色框中取出的有序金属间特征的假彩色裁剪图像，分别由蓝色和黑色箭头指示的线条的强度图；

(e) (a)中的红色框中 (100)表面的放大的假彩色图像，以及沿着由绿色和蓝色矩形标记的原子层获得的强度图，显示了分离的富Pt表面。比例尺：2Å；

(f) 具有Pt分离表面的L1₂金属间Pt₃Co模型的模拟HAADF-STEM图像，绿色和蓝色矩形标记的两个原子层的强度曲线。

图3. 氧气氛围中退火期间(100)Pt壳层的逐层生长

(a-c) 300 ℃氧气退火过程中，退火时间为0 s，64 s和128 s拍摄的HAADF图像。 比例尺：2 nm；

(d-f) (a-c)中的(100)表面相应放大的假色面。黄色和蓝色球体分别代表Pt原子和Co原子。比例尺：5Å；

(g) (d-f)中沿着蓝线的强度分布和模拟结果。插图显示了 (100)表面上三层Pt壳的模拟图像。

图4. 氧诱导核壳形成过程中的结构演化

(a) 有序金属间Pt₃Co相的几个可能表面上形成能的DFT计算结果；

(b) Pt₃Co NPs中氧驱动的核-壳形成过程示意图。

【小结】

本文借助原位透射电子显微镜和密度泛函理论计算揭示了常压高温下Pt-Co纳米颗粒壳核结构的形成过程。首先表面金属Pt薄层发生偏析，同时金属间内核进行有序化过程，随后在氧退火处理期间通过Ostwald熟化逐层生长Pt壳层，最终生成核壳结构的Pt₃Co纳米颗粒。该发现对于未来设计结构化的铂合金纳米催化剂提供了一定的思路参考。

文献链接：In situ atomic-scale observation of oxygen-driven core-shell formation in Pt₃Co nanoparticles (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00161-y)

本文由材料人编辑部张杰编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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