Small Methods:铂钯银三元合金中空纳米枝:高效稳定的甲醇电氧化催化剂

甲醇燃料电池作为一种清洁能源装置,能够在催化剂的作用下将燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能。此过程具有成本低、转换效率高等优点,已成为解决能源和环境问题的重要途径之一。目前,铂基催化剂是最有效的甲醇氧化(MOR)催化剂。然而,碳质中间体的毒化和较为缓慢的反应动力学限制了其进一步应用。前期研究表明,多元合金化、纳米结构(比如中空,多面体等)、以及微观晶体构造(晶界、原子台阶等)都能单独提升催化剂催化性能。如果将这些有利的结构集成在一种催化剂材料上,十八般武艺集于一身,岂不妙哉!说来容易做来难,先要过制备这一关。

图1  (a) PtPdAg HNDs形成过程以及结构表征;(b) 催化剂的催化活性及稳定性测试;(c) 二元合金与三元合金反应路径的DFT计算。

基于以上背景,近日,中科院固体物理研究所李越研究员(通讯作者)和新加坡南洋理工大学范红金教授(通讯作者)合作开发了一种简易的自模板法,实现了PtPdAg三元合金纳米催化剂的合成。此物一亮眼,便是倚天剑。它兼具中空结构、表面晶界以及原子台阶各种形貌优点。作者首先通过大量对比试验,对形成机理进行了探索。发现在Pt2+、Pd2+、Ag+组成的前驱体溶液中,率先生成PdAg富集的晶核,然后通过体系内自发的置换反应和还原反应,形成最终的PtPdAg 中空合金颗粒。接下来的电化学表征和DFT理论研究表明,相比于二元合金,该三元合金具有出色的抗毒化能力和较强的电子耦合作用。此外,该催化剂的中空枝状结构中存在着大量的晶界和表面原子台阶等活性位点。这些无疑对MOR催化活性极为有利。实验测得的质量活性是商业化Pt黑的4.5倍,而且经过近3小时的i-t测试以及5000圈CV测试,仍保持着较高的催化活性,其结构也基本保持原貌。因此,该项研究颇有意义:不仅发展了一种制备新型合金纳米材料的简易方法,也从一定程度上解决了燃料电池使用时催化剂易毒化和稳定性差等问题。

该论文以“PtPdAg Hollow Nanodendrites: Template-free Synthesis and High Electrocatalytic Activity for Methanol Oxidation Reaction”为题在线发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201900709)。论文第一作者为中科院固体物理研究所张涛博士, 目前为南洋理工大学博士后。