上海交通大学&加州大学Adv. Mater.: 铂基纳米线高效电催化氧还原及原位电镜表征技术揭示气固反应中的定向连接

叶岚山 7年前 (2017-11-28) 7023浏览

【引言】

质子交换膜燃料电池中，贵金属铂仍然是应用最广泛的电催化氧还原催化剂。通过形貌控制和成分调控的手段，提高铂基催化剂的活性与稳定性是目前制备理想氧还原催化剂的主要手段。然而，纳米铂基合金颗粒中非贵金属元素的电化学析出及纳米颗粒的团聚仍然是制约催化剂性能提升的主要因素。

基于此，一维铂基纳米线凭借相对于零维纳米颗粒的高导电性和热稳定性，以及结构柔韧性展现出了优异的电催化性能。但是，关于铂基纳米线的制备仍然局限于传统的湿法化学，除大量有机封端剂的引入对催化性能产生不利影响外，繁琐的制备工艺也严重限制了高效催化剂的工业化生产；而对于固相合成法，由于烧结引起的团聚现象占主导地位，纳米颗粒很难实现定向连接。目前，对通过气固反应实现一维铂基纳米线的制备仍缺乏足够的认知。因此，从原子尺度上，加深对铂基纳米线生长机制的理解，研究简单高效制备具有优异催化性能铂基纳米线的新方法格外重要。

【成果简介】

近日，上海交通大学材料学院邬剑波特别研究员与加州大学尔湾分校潘晓晴教授（共同通讯作者）等通过氢气辅助，实现了一维铂基纳米线的气相合成。该新方法工艺简单，制备过程中未引入任何有机溶剂，气固反应脱离了传统液相合成方法产率低的限制，更适用于工业化规模生产。该方法制备的铂纳米线及铂镍合金纳米线相比商业铂碳的电催化氧还原性能来说，质量活性分别提高了5.1倍和10.9倍，面积活性分别提高了8.5倍和13.8倍；此外，经过10000个循环伏安扫描后，质量活性的最低损失只有2.6%，表现出了酸性条件下优异的稳定性。此外，结合湿法浸渍法，该方法同样适用于不同载体材料支撑铂基纳米线的合成。

铂纳米线的生长过程通过原位透射电镜技术得到精细表征，进一步揭示了铂纳米颗粒在表面原子扩散作用下实现了特定晶面定向连接的形成机制：氢气的吸附可以增强纳米颗粒表面铂原子的扩散速率，尤其是在氢气吸附最强的铂{100}晶面，铂原子的表面扩散速率显著增强，使得颗粒之间的连接也更倾向于发生在具有高表面扩散速率的铂{100}晶面。原位电镜观察证明了铂基纳米线的固相合成过程主要包括了以下四个阶段：（1）氢气在铂{100}晶面的优先吸附；(2) 铂{100}晶面的表面扩散速率增强；（3）铂纳米颗粒{100}晶面之间的接触及颗粒之间颈缩区的形成；（4）纳米颗粒之间实现{100}晶面的定向连接及纳米短链的初步形成。该研究成果以“Platinum-Based Nanowires as Active Catalysts toward Oxygen Reduction Reaction: In Situ Observation of Surface Diffusion-Assisted Solid-State Oriented Attachment“为题，发表在Advanced Materials上，该工作的共同一作为上海交通大学材料学院的博士生马艳玲和加州大学尔湾分校博士后高文旆。

【图文导读】

氢气作用下铂纳米线的生长过程示意图