近日，納米材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊ACS Nano在線發(fā)表華中科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院王得麗教授研究團(tuán)隊(duì)研究成果《Golden Palladium Zinc Ordered Intermetallics as Oxygen Reduction Electrocatalysts》。論文第一作者為2015級(jí)博士生肖衛(wèi)平和美國(guó)康奈爾大學(xué)的博士生楊堯，王得麗教授為論文唯一通訊作者，華中科技大學(xué)為唯一通訊單位。

 

       清潔、高效、可持續(xù)能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換裝置勢(shì)必在未來(lái)能源架構(gòu)中占據(jù)重要地位。其中燃料電池、金屬-空氣電池等以其操作簡(jiǎn)單、高效環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)在可移動(dòng)電源領(lǐng)域備受關(guān)注。但目前該類(lèi)電池商業(yè)化應(yīng)用仍然面臨不少問(wèn)題，比較突出的是電池陰極的氧氣還原反應(yīng)(0RR)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率緩慢，極化過(guò)電位大造成了電池輸出功率和效率的大幅降低。尋求高效、穩(wěn)定且廉價(jià)的陰極催化劑是電池走向商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵所在。王得麗教授團(tuán)隊(duì)致力于低鉑、非鉑類(lèi)催化劑的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以及構(gòu)-效關(guān)系研究，期望通過(guò)理論設(shè)計(jì)和先進(jìn)的物理表征手段解析催化劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究揭示構(gòu)建材料的構(gòu)-效關(guān)系，為相關(guān)催化劑的設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供指導(dǎo)和依據(jù)。本研究采用簡(jiǎn)單的浸漬還原法以及后續(xù)的高溫處理制備出表面富Pd(5-6個(gè)原子層厚度)的有序PdZn(O-PdZn)納米催化劑。堿性環(huán)境下ORR測(cè)試結(jié)果表明，相比于Pd/C和Pt/C，該催化劑表現(xiàn)出3倍的質(zhì)量活性提升。為了更好地提升其循環(huán)穩(wěn)定性，采用自發(fā)置換的策略將耐腐蝕的Au原子修飾在催化劑中，結(jié)果表明修飾后催化劑(Au-O-PdZn)經(jīng)30000圈循環(huán)之后半波電位僅衰減6 mV。通過(guò)將制備的催化劑組裝到鋅空氣電池和鋰-氧電池中進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，證明該催化劑具備一定的實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖1. Au修飾的O-PdZn有序金屬間化合物催化劑的性能評(píng)價(jià)與結(jié)構(gòu)分析

 

       2013年初入職以來(lái)，王得麗教授課題組在低鉑類(lèi)催化劑的設(shè)計(jì)與構(gòu)效關(guān)系研究方面取得系列性研究進(jìn)展。2018年，課題組在ACS Catalysis發(fā)表低鉑類(lèi)ORR催化劑的設(shè)計(jì)與構(gòu)效關(guān)系研究邀請(qǐng)綜述(ACS Catal.,2018,8(4), 3237-3256,DOI:10.1021/acscatal.7b04420)。2019年4月5日，課題組繼續(xù)在ACS Catalysis雜志上發(fā)表題為《One-Nanometer-Thick Pt3Ni Bimetallic Alloy Nanowires Advanced Oxygen Reduction Reaction: Integrating Multiple Advantages into One Catalyst》的研究論文，該論文的第一作者2016級(jí)博士龔明星，共同第一作者2015級(jí)本科生鄧智平。研究中作者通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱合成方法，引入Ni源并合理調(diào)節(jié)溶劑極性一步法合成出超細(xì)(1 nm)的Pt3Ni雙金屬納米線，模擬結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其Pt原子利用率達(dá)到50%。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，得益于超高的表面Pt原子利用率、超細(xì)1D納米線結(jié)構(gòu)以及合金化帶來(lái)的電子結(jié)構(gòu)效應(yīng)、應(yīng)力效應(yīng)調(diào)控等有效提升了催化劑的ORR催化性能。其他相關(guān)的研究成果發(fā)表在Nano Energy、Chem.Mater.等雜志上。

圖2. Pt3Ni雙金屬合金納米線的形成機(jī)理示意圖

 

       以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、華中科技大學(xué)人才引進(jìn)基金、中組部青年千人計(jì)劃、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。