Energy Technology:第二类拓扑狄拉克半金属超导材料PdTe2应用于电催化乙醇氧化反应

随着人们对清洁能源的渴求越发激烈,燃料电池逐渐成为新能源领域的一大研究热点。由于乙醇具有能量密度高、低毒和来源广泛等众多优势,直接乙醇燃料电池逐渐在各类燃料电池中崭露头角。作为直接乙醇燃料电池的阳极反应,电催化乙醇氧化反应理论上共需要12电子转移才能实现乙醇的彻底氧化。而乙醇氧化程度则与催化剂密切相关。除此之外,乙醇氧化的催化剂还需要有足够高的活性和良好的稳定性。相关研究表明,钯基材料是电催化乙醇氧化反应的高效催化剂,其质量活性在0.3 – 3.4 A mg-1Pd不等。然而,它们的乙醇氧化程度大都不超过2 (Jf/Jb, 正扫与反扫的峰电流之比)。

近年来,拓扑狄拉克/外尔半金属在能源转化领域掀起一阵热浪。例如,NbP, TaP, NbAs, TaAs和 1T’-MoTe2已被证实是光催化产氢的高效催化剂。原子层厚度的第二类外尔半金属1Td-WTe2被组装成全固态柔性超级电容器。拓扑节线半金属TiSi也被理论预测为潜在的产氢催化剂。在传统催化剂的性能调控如缺陷工程、掺杂等基础上,这类新型催化剂还可以通过其拓扑表面态的自我调节产生新的催化活性位点。

中山大学材料科学与工程学院罗惠霞课题组与合作者受此启发,利用固相合成与溶剂剥离制备了第二类拓扑狄拉克半金属超导材料PdTe2纳米片,并对它的特性进行了详细的阐述。Te原子的加入使得原本为立方相的Pd转变为单斜相的PdTe2。PdTe2块体的择优取向为(101)晶面,溶剂剥离后则优先暴露(001)晶面。剥离后的PdTe2纳米片仅有4 nm厚度,可进一步负载在碳纸上进行电催化乙醇氧化测试。测试表明,PdTe2表现出较高的质量活性(1.7 A mg-1Pd)、良好的稳定性(2 h)和较快的电荷转移动力学特性(41.2 mV dec-1)。最令人振奋的是,PdTe2与其他已报道的钯基材料和商业钯黑相比具有超高的乙醇氧化程度(> 5),这让PdTe2有望成为乙醇氧化的最优催化剂之一。 研究者相信,此项研究将有利于拓展拓扑材料在能源转化领域中的应用,并为能源转化催化剂的开发提供一种新思路。相关结果发表在Energy Technology 上(DOI: 10.1002/ente.201900663)