李玉良院士、惠兰副研究员、何峰副研究员最新JACS

第一作者：张雪婷

通讯作者：李玉良*，惠兰*，何峰*

单位：中国科学院化学研究所

CO中毒是严重阻碍开发高效、耐用的甲醇氧化反应（MOR）电催化剂的主要瓶颈，导致不理想的催化性能和昂贵的催化剂成本。探索更具成本效益和稳定性的非铂基MOR电催化剂（如Pd），且具有高的CO耐受性，对实现优异性能且实用的直接甲醇燃料电池（DMFC）十分关键。界面工程能够调节异质结构催化剂以提高多种反应的催化活性。强耦合的金属-金属氧化物异质结构界面可以调节电子结构，形成丰富且活性高的界面区域。然而，界面穿梭效应在金属-金属氧化物异质结构催化剂中却鲜有研究。石墨炔（GDY）是异质结催化剂原位生长的重要载体，可调整界面电子结构，获得优异的催化选择性、活性和耐久性。此外，GDY还为氢、氮、硫和单个金属原子提供了成键位点，有效促进界面电子转移。因此，同时实现含有sp-C键合氯原子和负载异质结催化剂是一个巨大的挑战。因此，设计一种更具成本效益、具有强稳定性和高CO耐受性的界面工程石墨炔基Pd基异质结电催化剂对于构建高性能MOR催化剂至关重要。

定制定义明确的异质金属催化剂界面结构是确定界面关系和促进涉及多中间体反应的有效策略。该工作设计了一种氯掺杂石墨炔负载的由钯和氧化亚铜纳米颗粒组成的纳米颗粒-颗粒异质结构催化剂（Pt/Cu₂O/Cl-GDY），实现了高性能的碱性甲醇氧化电催化。强耦合颗粒-颗粒异质结构催化剂诱导了独特的界面互穿效应，改善了界面电荷再分布，调节了d带结构，优化了CO中间体在催化剂上的吸附。该催化剂在碱性介质中进行甲醇氧化反应（MOR）时表现出优异的质量活性（4.0 A mg_Pd^–1）和电流密度（215.8 mA cm^–2），分别是10% Pd/C催化剂的80.0倍和154.1倍。该催化剂在经过30000次循环质量活性无衰减，表现出良好的稳定性。实验结果和理论模拟（DFT）研究表明，Cu-O-Pd界面的化学键可通过Pd的互穿作用进行调节，是催化活性和稳定性的来源。

图1.图1 Pt/Cu₂O/Cl-GDY的形貌表征。

以石墨炔为载体，成功制备了氯掺杂石墨炔负载的由钯和氧化亚铜纳米颗粒组成的纳米颗粒-颗粒异质结催化剂，有效调节了界面电子结构，促进了界面电子转移，实现了高活性、高稳定性电催化碱性甲醇氧化。

要点二：金属锂/聚合物固态电解质界面

纳米颗粒-颗粒异质结催化剂之间的强耦合作用诱导了独特的界面互穿效应，从而改善了界面电荷的再分布并调节了d带结构，优化了催化剂对CO中间产物的吸附。

要点三：

金属与金属氧化物之间独特的Pd-O-Cu界面可有效地调节异质结构催化剂抗CO中毒能力，为设计具有界面互穿效应的催化剂提供新方法。

要点四：前瞻

该工作开发了一种氯掺杂石墨炔负载由Pd纳米颗粒和Cu₂O纳米颗粒催化剂组成的高效异质结构电催化剂，它能显著提高MOR活性，并具有优异的抗CO中毒性能。Pd纳米颗粒与Cu₂O之间的界面相互作用促进了电子从Cu₂O向Pd的转移，有效的调节钯的d带和促进CO电氧化。实验结果和DFT计算表明，受Pd渗透效应调控的Cu–O–Pd键有效提高了MOR的催化活性和稳定性。该工作表明，具有高CO抗性的异质结构催化剂可以通过金属与金属氧化物之间独特的界面穿梭效应进行有效调控，为设计具有拓宽界面化学的界面相互作用催化剂提供了新方法。

Xueting Zhang, Lan Hui*, Feng He*, Yuliang Li*. The Interfacial Interpenetration Effect for Controlled Reaction Stability of Palladium Catalysts.