Small Structures:用于增强碱性介质中氧还原反应的Pd基电催化剂的纳米尺度设计

燃料电池可将化学能直接转化为电脑,具有能量转换效率高、环境友好、能量密度高等诸多优点,成为备受关注的下一代能源转换技术。近年来,该领域主要致力于研究阴极的阳还原反应(oxygen reduction reaction,ORR),其在燃料电池中起到关键作用。铂(Pt)基电催化剂已表现出优异的催化性能和耐久性,但其多电子和多步催化机制导致了缓慢的ORR动力学,使得需要较高的催化剂量,影响了燃料电池的总体成本效益。钯(Pd)与Pt具有相似的电子结构,因此Pd基电催化剂也表现出优异的ORR活性和耐久性,且与Pt相比成本更低,因此被视为碱性介质中ORR最具前景的催化剂材料。基于Pd纳米结构的深入设计,优化活性表面位点、最大化开发潜在催化性能是促进ORR走向应用的核心。

近日,纽约州立大学宾汉姆顿分校Jiye Fang及合作者发表了综述文章,全面总结了Pd基电催化剂的纳米尺度结构设计,并系统回顾了Pd基电催化剂在碱性介质中的ORR机制以及性能改善的常用策略。

在本综述中,作者首先阐述了Pd基催化剂在碱性介质中的ORR机理。通常认为,Pd基电催化剂与Pt基类似物具有相似的ORR过程,涉及四个耦合的质子和电子转移过程。接着,作者总结了文献报道的部分Pd/C电催化剂成分以及ORR活性。

为了提高Pd基ORR电催化剂的性能,需要在原子尺度上对电催化剂结构进行合理设计。因此,作者分类概述了三种用于Pd基电催化剂性能改善的结构设计策略。首先,通过改变催化剂的制备方法,可以实现形状和尺寸的精细控制以提高电催化性能。具体而言,需要选择合适的还原剂、溶剂、配体、封端剂、表面活性剂和添加剂,调控成核-生长动力学以及进行适当的后处理工艺。

此外,调整Pd基电催化剂的相被证明是一种优化催化性能的有效策略。作者指出,不同组分之间的相互作用能实现催化性能的提升,但非常规相结构特别是热力学不稳定相的制备极具挑战性。

最后,作者讨论了异质原子掺杂对Pd基电催化剂性能的影响:金属掺杂(合金化)可以引入更多的活性位点,优化电子结构并产生协同作用;而非金属掺杂可以使周围原子极化,显著改变活性位点的能带中心,从而提高电催化性能。

Nanoscale Design of Pd-Based Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction Enhancement in Alkaline Media

Ming Zhou, Jiangna Guo, Jiye Fang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100188

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100188