黄庆红教授、吴宇平教授， CEJ观点：垂直有序的聚苯胺纳米阵列提升Pt催化剂的ORR活性- 大数跨境

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黄庆红教授、吴宇平教授， CEJ观点：垂直有序的聚苯胺纳米阵列提升Pt催化剂的ORR活性

科学材料站

2024-03-05

导读：黄庆红教授、吴宇平教授， CEJ观点：垂直有序的聚苯胺纳米阵列提升Pt催化剂的ORR活性

文章信息

垂直有序的聚苯胺纳米阵列提升Pt催化剂的ORR活性

第一作者：薛书杰，杨荣中

通讯作者：黄庆红

单位：南京工业大学

研究背景

基于碳材料支撑的Pt基纳米催化剂在氧还原反应（ORR）中表现出显著的催化活性。然而，这些催化剂仍然面临诸如基底结合强度不足、易于从基底上脱落等挑战。因此，文章探索了电子丰富聚合物作为载体在高效ORR催化剂中的潜在应用，通过利用聚苯胺（PANI）的离子交换性能成功合成了均匀分布的Pt-PANI催化剂。作为ORR的新型催化剂，Pt-PANI在酸性溶液中表现出优异的ORR性能，垂直排列的PANI纳米阵列加速了电解质中的离子扩散，并促进了界面处的电荷转移，提高了低负载Pt基催化剂的催化活性。简而言之，这项工作为选择Pt基催化剂的载体提供了传统碳材料以外的新型选择。

文章简介

近日，来自南京工业大学黄庆红教授、吴宇平教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Application of vertically ordered polyaniline nanofibers in enhancing the ORR activity of Pt catalysis”的观点文章。该观点文章探索了电子丰富聚合物作为载体在高效ORR催化剂中的潜在应用。

图1. (a) 制备过程。(b) 玻碳电极上PANI垂直生长示意图以及纳米线阵列中优化的离子扩散路径。(c) 具有不同形态的PANI的Nyquist图（CC-PANI和CP-PANI），插入的SEM图像是(d) CC-PANI和(e) CP-PANI，分别使用恒定电流密度和恒定电位法制备。EIS在开路电压下，0.1 M HClO₄中进行测试。(f) PANI和H₂PtCl₆@PANI的FTIR光谱。高分辨率XPS光谱的Pt 4f (g) H₂PtCl₆，H₂PtCl₆@PANI和Pt-PANI，(h) PANI的N 1s，H₂PtCl₆@PANI和Pt-PANI。Pt 4f5/2和Pt 4f7/2峰的自旋轨道分裂和面积比分别为3.4eV和3:4。

本文要点

采用电化学方法成功制备出垂直的聚苯胺阵列，纳米纤维之间存在充足的传质空间，尖端直径约为50nm，AFM图像显示PANI的高度约为126 nm，此聚苯胺具有较大的比表面积，使其成为支撑金属催化剂的理想材料。与Pt/C催化剂相比，Pt-PANI在提高Pt活性位点暴露和避免被碳材料包裹方面具有优势。

图2. (a, b) 垂直排列的PANI纳米阵列的扫描电子显微镜图像，以及 (c-f) Pt-PANI的能量散射谱图。

同样的负载量下，Pt-PANI中可能存在较小的Pt颗粒或较低的Pt含量，表明Pt晶体的生长受到限制。可以看出，当PANI作为基底时具有较好的ORR催化活性。

图3. Pt-PANI，Pt/GDL，Pt/GC和JM Pt/C的（a）ORR，（b）CV和（c）XRD的曲线。H₂PtCl₆溶液的pH为0.2，浓度为50 mM，Pt的负载量为28 µg cm^-2。在O2饱和的0.1 M HClO₄溶液中，使用RDE以1600 rpm和0.01 V/s的扫描速率进行ORR极化曲线扫描。

聚合物中的N向Pt提供电子，为Pt纳米颗粒创造了富电子表面环境。这有利于加速电子向O2分子表面的转移，从而降低ORR的活化能并提高反应速率。除了优越的催化活性，Pt-PANI的稳定性是评估的关键因素。因此，我们进行了10 k次循环的高电压（0.55-1.05 V）循环伏安法来测试催化剂的稳定性。循环前后进行的SEM和XRD表明催化剂在长时间循环过程中Pt纳米颗粒保持稳定，未发生显著变化， Pt-PANI具有更加优越的稳定性。

图4. (a) Pt-PANI的透射电子显微镜图像，结合(b-c)能量色散X射线元素分布图，(d) Pt纳米颗粒的高分辨透射电子显微镜图像，(e) (b)中方形区域的逆快速傅里叶变换（IFFT）。(f) Pt/C和Pt-PANI稳定性测试的CV和LSV曲线。(g)中的图表显示了Pt/C和Pt-PANI经过稳定性测试后的比表面活性。

研究表明，PANI的垂直结构有利于减少离子扩散和电荷传递阻力，从而加速电催化反应。此外，Pt纳米颗粒与富电子基底之间的界面电荷转移可以进一步增强纳米复合材料的催化活性。这项工作为Pt的催化剂载体提供了一种传统的碳材料之外的选择。

文章链接

Application of vertically ordered polyaniline nanofibers in enhancing the ORR activity of Pt catalysis.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149891

通讯作者简介

黄庆红教授简介：南京工业大学教授，长期从事新型化学电源相关的研究，在燃料电池高活性及长程稳定纳米电催化剂开发、高性能低成本膜电极构筑、面向应用的直接甲醇燃料电池和氢氧燃料电池系统集成和制氢技术等方面进行了多年研究。在基础研究和应用开发方面具有扎实的基础，发表论文累计50余篇，获他引1300余次；申请发明专利19项，其中12项已经授权；多次主持“国家重点研发计划”、“国家自然科学基金”等科研项目，以项目骨干参与完成包括973项目、军工项目、上海科委项目、中科院项目及企业项目等多类项目。