Advanced Materials: PtSnBi纳米盘的三金属协同效应促进甲酸氧化

直接甲酸燃料电池具备较高的功率密度和电池效率,在便携式电子器件等应用中具有不错的发展前景。对于阳极甲酸氧化反应,传统的Pt催化剂表现出较差的催化性能,这是由于HCOOH发生脱水步骤导致了CO中毒。因此,促进脱氢步骤将HCOOH直接氧化形成CO2是非常必要的。近年来,一些用于增强甲酸直接氧化路径的先进催化剂被开发出来,比如吸附原子修饰的Pt纳米晶和Pd基合金等。然而,缺少具有超高质量活性和长期稳定性的商用催化剂严重限制了直接甲酸燃料电池的广泛应用。

一般来说,甲酸脱水形成CO这一步骤容易发生于连续的Pt位点上。形成相互分离的Pt原子位点可以有效地抑制CO的生成,是一种能有效促进甲酸直接氧化性能的策略。特别地,Pt基金属间化合物引起了广泛的关注,因为它具有明确的元素组成,长程有序的原子排布,以及优异的结构稳定性。另外,利用多金属的协同作用,可以通过调控多元金属间化合物(如三元金属间化合物)的组分来进一步优化催化性能。然而,这在合成、表征和机理研究上是非常复杂的,在甲酸氧化领域相关研究鲜有报道。

近日,南方科技大学化学系权泽卫教授课题组采用简单的一锅湿化学法制备了新型的三元金属间化合物-PtSnBi纳米盘。双球差电镜表征表明三种金属原子均匀有序地分布。得益于三种金属的协同作用,PtSnBi纳米盘的甲酸氧化性能明显优于二元PtBi和PtSn金属间化合物。其中,Pt45Sn25Bi30纳米盘的催化活性高达4394 mA mg-1Pt,并在4000圈循环后保留了78%的初始活性。理论计算进一步表明,PtSnBi纳米盘的电子效应和结构效应有助于抑制CO中间产物的生成和优化脱氢步骤,从而显著促进了甲酸直接氧化性能。本工作为多元金属间化合物催化材料的研发开辟了一条新途径。另外,优越的催化活性和稳定性将使得PtSnBi纳米盘在直接甲酸燃料电池中有着很好的应用前景。相关论文以“Trimetallic Synergy in Intermetallic PtSnBi Nanoplates Boosts Formic Acid Oxidation”为题,在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201903683)上。