介孔多元金属催化剂的研究取得重要进展

最近,日本国立材料研究所(NIMS)JSPS研究员李翠玲博士领导的研究团队在制备介孔多元金属催化剂和提高甲醇催化活性方面取得重要进展。他们通过简单的一步液相法合成了孔结构和尺寸可调控的铂基多孔金属材料,并揭示了在电催化甲醇氧化过程中,催化剂的组分和形貌对催化活性的影响。

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液相一步法合成多孔的两元,三元核壳/合金纳米球的示意图

随着化石能源的枯竭,和全球环境问题的日益加剧,开发可持续的绿色能源的需求十分迫切。铂作为燃料电池中不可或缺的催化剂材料,其催化活性和稳定性决定了能源器件的性能。鉴于铂的昂贵价格和极其有限的储量,如何提高催化材料的利用效率成为研究热点。研究表明,多孔结构可以增加活性位点的暴露,从而提高材料的利用效率。现有的制备贵金属多孔材料的方法主要是基于表面活性剂的自组装,而后续的金属还原过程会严重破坏这种表面活性剂的组装结构。因而,制备孔结构和尺寸可调空的规则多孔贵金属材料,成为电催化领域和材料领域的一大挑战。

JSPS研究员李翠玲博士及其研究团队设计和发展了一种简单的一步溶液法制备多孔结构的铂催化剂。通过控制溶液中模板剂(F127)的浓度和还原剂的还原能力等因素,孔的结构和形貌可以在很大尺寸范围内可调。同时,通过引入其他的金属,可以很容易地得到具有不同组分的合金/核壳结构的多元介孔金属纳米球。进一步将这种多元介孔金属纳米球催化剂用于电催化甲醇氧化时,发现其组分和形貌对催化活性有较大影响。由于其极大的表面积,有利于物质扩散的孔结构,以及多元金属的协同作用,大孔径的介孔金属纳米球给出了非常高的质量和比表面积催化活性。该工作为高效催化剂的设计和制备提有很好的启发作用。相关论文在线发表在Adv. Sci. 2015, 2, 1500112

早稻田大学的博士研究生蒋波是该论文的第一作者,改论文的合作者还包括日本国立材料研究所的Yusuke Yamauchi教授,主任研究员Masataka Imura博士,早稻田大学博士研究生汤静。该研究工作得到了日本学术振兴会以及日本科学技术振兴机构的支持。