Advanced Functional Materials:精准调控五重孪晶结构Pt–Cu–Mn纳米框的表面应变提升氧还原性能

氧还原反应因其复杂的反应路径,较高的反应活化能以及缓慢的动力学反应速率,成为制约金属—空气电池和燃料电池两种能源转换方式发展的关键因素。铂(Pt)基合金纳米框催化剂由于其独特的开放型结构,较大的比表面积以及较高的Pt原子利用率,可有效解决传统Pt基催化剂原子利用率低,氧还原本征催化活性较差等问题,特别是富含表面缺陷的纳米框更是受到了科研工作者的广泛关注。然而,目前关于Pt基纳米框架的研究主要聚焦于它们的形貌控制合成和构效关系的研究。纳米框表面应变效应对氧还原催化性能的影响被研究人员所忽略。研究表明,原子尺度调控Pt基催化剂的表面应变是提高氧还原催化性能最有效的手段之一。因此,本文将重点研究Pt基纳米框的表面应变效应对氧还原催化性能的影响机制。

本文构筑了一种具有五重孪晶结构的Pt–Cu–Mn三元合金超细纳米框(Pt–Cu–Mn UNFs)。由于超细结构的量子效应,使得Pt–Cu–Mn UNFs相对于组成相似的五重孪晶Pt–Cu–Mn五边形纳米框(Pt–Cu–Mn PNFs)展现出1.5%左右的压缩应变并且优化了电子结构。在碱性条件下的氧还原反应中,Pt–Cu–Mn UNFs展现出超越商业Pt/C近10倍的催化活性,其面积比活性和质量比活性分别达到了3.38 mA cm−2和1.45 A mg−1。特别是,Pt–Cu–Mn UNFs的面积比活性和质量比活性分别是Pt–Cu–Mn PNFs的1.45和1.71倍,由此证明Pt–Cu–Mn UNFs表面压缩应变对提高催化剂的活性具有重要作用。此外,本文还对两种纳米框在氧还原反应过程中的双氧水产率进行测试,发现Pt–Cu–Mn UNFs在氧还原过程中的双氧水产率远低于Pt–Cu–Mn PNFs。并且通过理论计算证实了纳米框的压缩应变可以减弱催化剂对活化氧的吸附能力以及改善氧还原反应路径。本文展现了调控Pt基纳米框的表面应变可以有效得提升氧还原催化性能,为构筑高性能Pt基催化剂提供新思路。

相关论文“Fine-Tuning Intrinsic Strain in Penta-Twinned Pt–Cu–Mn Nanoframes Boosts Oxygen Reduction Catalysis”在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201910107)上。