Advanced Energy Materials:分级多元素纳米颗粒作为氧析出和氧还原反应的双功能催化剂

氧电极的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是金属-空气电池的基本组成部分。为了克服复杂且动力学缓慢的四电子转移过程,需要制备高效且价廉的电催化剂。单组分电催化剂由于对氧反应中间体(*O,*OH,*OOH)具有特定的亲和力,因此通常仅显示选择性的OER或ORR活性。因此,将具有不同键合作用的多种活性氧反应催化剂(例如Pt、Ir和其他非贵重材料)掺入多元素催化剂中是实现双功能催化剂的理想方法。然而,由于组成复杂,制备结构最优的多元素纳米催化剂仍具有挑战性。不同的原子大小、晶体结构、混溶性和其他内在特性使得将不同的元素整合成一个单一的多元素纳米颗粒变得困难。此外,在催化过程中,纳米催化剂的团聚导致催化剂稳定性较差,这也是一个严重的问题。因此,为了实现高效催化氧电极反应,有必要开发优化的元素混合和结构稳定的多元素纳米颗粒。

美国马里兰大学胡良兵和李腾团队提出了一种一步合成方法来制备分级的多元素纳米材料,其中包含了锚定在尖晶石结构过渡金属氧化物纳米颗粒上的超细贵金属纳米颗粒(IrPt,≈5 nm)。这种多元素纳米颗粒可作为出色的氧析出和氧还原反应的双功能催化剂。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.202001119)上。

通过一步高温冲击技术制备了分级的多元素纳米颗粒,超细IrPt合金锚定在45nm的FeCoNiOx上。这种分级多元素的纳米结构降低了贵金属的用量,稳定了IrPt合金并形成的较大的电活性面积。因此可以实现在OER反应过程中仅需要240 mV过电势(@10mA cm-2)和较小的Tafel斜率(34 mV dec-1)。在相同的过电位下,多元素纳米颗粒的ORR质量催化活性是Pt的7倍,OER质量催化活性是Ir的28倍,这表明双功能电催化剂具有很高的氧催化活性。同时,双功能催化剂表现出优异电催化稳定性。 DFT计算表明FeCoNiOx和IrPt的协同作用降低了电催化反应势垒,因此促使分级的多元素纳米催化剂体现出高效OER和ORR电催化性能。这种高效且耐用的双功能氧电催化剂可以极大地提高金属-空气电池的能源效率,并在水电解、燃料电池等方面提供潜在的应用。这种分级的多元素纳米颗粒为设计其他具有长寿命和低成本的多功能电催化纳米材料提供了参考价值。