SmartMat:Pt3Co-CoP2球-棒异质纳米复合材料高效电催化甲醇氧化反应

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异质结构纳米复合材料由两种或两种以上物理化学性质截然不同的组分构成,各组分间具有相互接触的界面。由于复合体系集成了性能差异明显的不同组分,并且通过相干界面产生强烈的相互耦合作用,因此纳米复合材料不仅具有明显增强的本征性能,而且还突破单一组分材料性能的局限,表现出许多新奇特性,在功能开发、能源有效利用、环境保护与污染处理、生化医药等领域均表现出优异的应用前景。特别的,通过相干界面的电子耦合效应,贵金属和半导体、氧化物、过渡金属磷化物等构成的异质纳米复合材料在电催化领域展现出巨大的应用潜力,近些年来被广泛应用于醇类氧化、氧还原和析氢/析氧反应中。和单一的贵金属相比,含贵金属的异质纳米复合材料表现出更好的电催化性能,而优化复合材料的组成和结构则是进一步提升其电催化性能的有效途径。

近日,中国科学院过程工程研究所和南京师范大学的研究者合作,研发出一种Pt3Co球-CoP2棒异质纳米复合材料高效甲醇氧化电催化剂。该工作的合成策略是先将一定比例的Pt和Co离子前驱体同时还原得到组成不稳定的双组元PtxCoy合金纳米颗粒,随后升温磷化,该过程中Co被萃取形成CoP2相并与合金纳米颗粒连接形成异质结构。随着萃取的进行,CoP2逐渐长大,但其生在可能在与合金颗粒接触的方向受到抑制而在其它方向形成棒状。这一萃取过程终止于合金颗粒达到稳定的Pt3Co相,最终得到Pt3Co-CoP2球-棒异质纳米复合材料。X-射线光电子能谱(XPS)测试揭示异质结构中合金和磷化物之间存在较强电子相互作用,降低了Pt原子周围的电子密度,有利于减少Pt表面和CO类似的中间产物的吸附毒化,从而达到提升Pt3Co合金在酸性和碱性介质中电催化性能的效果。典型的,针对甲醇氧化反应,当异质材料中Pt的负载量仅为6.4%时,却表现出比商业Pt和自制的Pt3Co纳米颗粒分别高出2倍和1.5倍的质量活性。该研究展示了异质复合纳米材料在电催化领域的潜力,同时为合成低成本高效贵金属基催化剂提供一种可行的方法。

图文导读

图1. Pt3Co-CoP2球-棒异质纳米复合材料形成过程示意图。
图2. Pt3Co-CoP2球-棒异质纳米复合材料的TEM (A), HRTEM (B), STEM (C) 和 对应的元素分布图像(D-F)。
图3. 异质Pt3Co-CoP2 纳米复合材料、自制的Pt3Co合金和商业Pt催化剂的Pt 4f XPS图谱 (A) 和 0.1 M HClO4电解液中的CO吸脱附曲线 (B)。
图4. 异质Pt3Co-CoP2 纳米复合材料、自制的Pt3Co合金和商业Pt/C催化剂酸性介质中催化甲醇氧化活性测试:(A) 基于电化学活性面积的甲醇氧化的循环伏安曲线;(B) 基于Pt质量的甲醇氧化的循环伏安曲线;(C) 面积活性和质量活性柱状图; (D) 0.4 V恒定电压下的计时电流曲线。

作者简介

杨牛娃,中国科学院过程工程研究所博士生在读。2018年在中国矿业大学获得学士学位,目前在中国科学院过程工程研究所杨军研究员课题组攻读博士学位,主要从事贵金属基异质结构纳米材料及其光电催化性能的研究。

刘卉,中国科学院过程工程研究所副研究员。于2014年在中国科学院过程工程研究所获得博士学位,同年作为助理研究员留所工作,2017年晋升为副研究员,主要从事新型复合材料用于能源转化和环境净化的研究,尤其对含贵金属的纳米复合材料及其电化学应用感兴趣。

胡超权,中国科学院过程工程研究所研究员。2009年于中国科学院过程工程研究所获得博士学位并留所工作一年,之后分别在香港大学和瑞典查尔姆斯理工大学进行了为期两年和三年的博士后研究,2015年重新回到国科学院过程工程研究所,受聘为研究员,主要从事过程强化、加氢/脱氢催化过程及电化学能源存储与转换的研究。

徐林,南京师范大学副教授。 2010年于南京大学获得博士学位,在加入南京师范大学前先后在美国印第安纳大学新加坡南洋理工大学进行了为期一年和四年的博士后研究。他的研究兴趣主要集中在能源催化材料的理性设计和制备方面,包括电催化、锂离子电池和超级电容器材料,他是NanoscaleNanoscale Advances两个国际刊物的顾问编委。

杨军,中国科学院过程工程研究所研究员,中国科学院大学材料与光电技术学院岗位教授。2006年于新加坡国立大学获得博士学位,2006-2007年先后在波士顿大学、多伦多大学进行博士后研究,2007-2010年在新加坡生物工程与纳米技术研究院从事研究工作,2010年全职回国工作,创建能源转化与环境净化材料课题组,主要从事贵金属基异质结构纳米材料的构筑及其在能源转化和环境净化方面的应用研究。

论文信息:

Heterogeneous nanocomposites consisting of Pt3Co alloy particles and CoP2 nanorods towards highefficiency methanol electrooxidation

Niuwa Yang, Dong Chen, Penglei Cui, Tingyu Lu, Hui Liu*, Chaoquan Hu*, Lin Xu*, Jun Yang*

 SmartMat

DOI: 10.1002/smm2.1032

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smm2.1032