北理工Adv. Funct. Mater.：原子协同效应有助于增强氧还原反应

【引言】

氧还原反应（ORR）作为典型的低温燃料电池的阴极反应，已被视为限制电池性能的半电池反应。发展高效的ORR催化剂对于降低燃料电池的成本非常重要。但到目前为止，大多数报道的高性能ORR催化剂主要是含有Pt与过渡金属元素，例如Pt与Ni，Co，Fe，Cu等组成的铂基合金。因此，非铂金属催化剂的研究近来成为热点，高性能的非铂催化材料是进一步降低催化剂成本的优先选择，有助于促进燃料电池技术的大规模商业化。

【成果简介】

近日国际期刊Advanced Functional Materials以“Synergistically Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis by Subsurface Atoms in Ternary PdCuNi Alloy Catalysts”为题发表了北京理工大学最新研究成果，该工作发明并计算验证了一种具有次表面层协同效应的高性能碱性氧还原催化剂。通过湿化学法制备的PdCuNi三元合金经过基于溶液的表面氧化处理后，得到激活的纳米晶表面，催化剂表面在去除Ni和Cu原子后，ORR活性得到大幅度提升。在碱性介质中质量活性分别为Pt/C的5倍，Pd/C的2.4倍。该工作由北京理工大学材料学院李煜璟研究员、美国加州大学材料科学与工程系黄昱（Yu Huang）教授及西南石油大学化学与化工学院罗文嘉副教授合作完成，王化伟博士为论文的第一作者。

【图文导读】

图1. 材料制备及表面组成示意图

图2. a) HAADF-STEM图像和b)酸处理后碳载PdCuNi/C-AB催化剂的HRTEM图像。 c)单个PdCuNi 纳米晶的EDS线扫。橙色箭头表示扫描方向，相应的元素强度轮廓在纳米晶上重叠。 d)单个PdCuNi 纳米晶的元素分布图，其中显示Pd, Cu, Ni和混合的Pd/Cu元素分布。

图3. a) 酸处理后相应催化剂的CV曲线。 b) PdCuNi-AB/C催化剂酸处理前后的LSV和CV（插图）曲线。 c) d) LSV曲线，Tafel图（插图）和酸处理后相应催化剂在0.9 V时的活性总结。

图4. 六种代表性的O *吸附结构及其在PdCuNi合金表面上的相关ΔE_O值的图示。第二层和第三层原子（离观察者更远）以较小尺寸显示。O, Pd, Cu, Ni分别以红色，蓝色，橙色和绿色显示。

图5. 与商业Pd/C和Pt/C催化剂相比，在0.1M NaOH + 1M CH₃OH电解质中PdCuNi-AB-t/C催化剂的LSV曲线，插图为0.1M NaOH电解液中催化剂的CV曲线。

【小结】

在这项工作中，研究者提出了高活性和耐甲醇的PdCuNi三元合金纳米晶。计算结果与实验结果相一致，表明PdCuNi三元合金的活性增强是由于Ni和Cu原子在次表层共存的协同作用，且次表层适量Ni原子对催化活性提升有重要作用。这项工作通过实验证明使用氧化性的酸处理作为一种通用和有效的方案来提高Pd基合金的ORR活性，并且进一步揭示了高活性的机理，可以指导合理设计用于ORR的高性能Pd基三元合金催化剂。为燃料电池阴极催化材料的开发提供了新材料及新策略。

文献链接：Synergistically Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis by Subsurface Atoms in Ternary PdCuNi Alloy Catalysts (Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201707219 )

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