Advanced Functional Materials:多孔钯-氧化钯纳米管催化甲醇电氧化

目前,碱性直接甲醇燃料电池(ADMFCs)的商业化进程受到了阳极甲醇电氧化反应(MOR)动力学缓慢的影响,因此,制备高活性和稳定性的甲醇氧化反应电催化剂对ADMFCs的应用发展至关重要。在碱性介质中具有MOR活性的非铂(Pt)纳米材料主要包括贵金属钯(Pd)和过渡金属基纳米材料。虽然一些廉价的过渡金属基纳米结构在碱性介质中显示出一定的MOR活性,但在苛刻的电池操作条件下,它们的MOR动力学依旧较为缓慢,稳定性也不足。相比之下,Pd基纳米材料由于其增强的CO耐受性显示出与Pt基纳米材料相当甚至更高的MOR活性。

为了提高电催化性能,对Pd纳米材料进行形貌控制是一种有效的策略。一维多孔Pd纳米管由于其独特的物理/化学性质而受到广泛关注,一维结构使得Pd纳米管具有高导电性和各向异性的形貌;空心结构提高了材料的原子利用率和比表面积;多孔结构增加了高活性缺陷原子的数量,加速了催化反应过程中的传质。与Pt纳米材料类似,Pd纳米材料在MOR过程中也存在CO中毒问题(Pt更严重),降低了其活性和稳定性。对Pd纳米结进行氧化处理是提高Pd纳米结构抗毒化能力的有效方法:由于Pd和PdO之间的协同效应,PdO物种可以减少CO在Pd表面的吸附并且增强其对CO的氧化能力。因此,多孔Pd/PdO纳米管具有形貌优势和优化组分,使其在碱性介质中具有优异的MOR电催化活性和稳定性。

陕西师范大学陈煜教授一种简便的自模板法,以Pd(II)-DMG配合物纳米棒为前驱体,合成了异质结构的高质量Pd-PdO PNTs。在合成过程中,Pd(II)-DMG配合物纳米棒的煅烧温度决定了产物的组成。Pd-PdO PNTs具有独特的一维多孔中空结构,具有ECSA大、传质快、自身结构稳定性好等优点,使其在碱性介质中具有较高的电催化活性和稳定性。此外,与Pd PNTs相比,Pd-PdO PNTs表现出更强的MOR活性,表明Pd/PdO界面的存在提高了Pd纳米晶的MOR活性。电化学测试和理论计算结果表明,PdO与Pd的协同作用加速了COads的氧化,从而提高了Pd-PdO PNTs的MOR活性和稳定性。在ADMFCs性能测试中,Pd-PdO PNTs作为阳极电催化剂时功率密度是商业化Pd纳米晶的4.6倍且具有更大的开路电压,这样的结果说明Pd-PdO PNTs在ADMFCs器件中的性能优于商业化Pd纳米晶。

本研究工作为高活性Pd电催化剂的设计提供了一个新的思路,并证明了Pd-PdO-PNTs作为ADMFCs的阳极电催化剂具有极大的应用潜力。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202000534)上,论文第一作者为二年级硕士生王天娇。