华中科大|王得丽教授团队ACS Catal.：因为有序，所以稳定，金属间化合物电催化剂应用于碱性氢氧化反应- 大数跨境

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华中科大|王得丽教授团队ACS Catal.：因为有序，所以稳定，金属间化合物电催化剂应用于碱性氢氧化反应

科学材料站

2020-12-20

导读：该研究通过构筑三元的(Pt0.9Pd0.1)3Fe有序金属间化合物，显著提升了Pt基催化剂的碱性HOR催化活性和稳定性。

文章信息

L12 PtPdFe金属间化合物的自优化配体效用于提升碱性氢氧化催化活性和稳定性

第一作者：赵桐辉，汪广进

通讯作者：王得丽*

单位：华中科技大学

研究背景

阴离子交换膜(AEM)技术的一系列突破性进展使得阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)受到广泛关注，并有望成为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的代替物。其最大的优势是能够使用非贵金属作为阴极氧还原反应(ORR)催化剂，有望解决燃料电池的成本问题。

然而，AEMFC中缓慢的阳极氢氧化反应(HOR)动力学阻碍了其进一步发展。即使是在Pt电极表面，其碱性介质中的催化活性仍较酸性介质中低2个数量级。

通常，研究人员将Pt与Ru，Ni和Nb等金属进行合金化处理，利用合金元素产生的电子和配体效应提升催化活性。但很遗憾，其催化稳定性通常被忽视且不容乐观。因此，在提升催化剂活性的同时兼顾稳定性必不可少。

文章简介

近日，来自华中科技大学的王得丽教授团队在国际知名期刊ACS Catalysis上发表题为“Self-Optimized Ligand Effect in L12-PtPdFe Intermetallic for Efficient and Stable Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction”的研究性论文。

该研究通过构筑三元的(Pt0.9Pd0.1)3Fe有序金属间化合物，显著提升了Pt基催化剂的碱性HOR催化活性和稳定性。文章详细分析了Pd取代Pt对于(Pt0.9Pd0.1)3Fe有序金属间化合物形成以及催化活性提升的促进作用，并借助非原位的CO-striping测试探究了催化稳定性的提升机制。

图1. (Pt0.9Pd0.1)3Fe有序金属金属间化合物催化活性和稳定性的提升机制。

本文要点

要点一：部分Pd取代Pt促进L12 (Pt0.9Pd0.1)3Fe有序金属间化合物的形成

无序合金形成有序金属间化合物通常需要高温退火处理。但是，氢氧化反应对于催化剂的颗粒尺寸要求较高，一般~3 nm的纳米粒子具有最优的催化活性。这显然与有序金属间化合物的形成条件相悖。因此，本研究通过少量Pd取代Pt实现了在较低的退火温度下形成了L12 (Pt0.9Pd0.1)3Fe有序金属间化合物，粒径分布在~3.9 nm，有效避免了高温退火处理造成的颗粒团聚现象。在此，要特别感谢美国加州大学尔湾分校的Huolin Xin教授课题组成员在电镜测试方面的支持。

要点二：(Pt0.9Pd0.1)3Fe到(Pt0.9Pd0.1)3HxFe/Fe(OH)x的结构转变提升催化活性

电化学测试表明，(Pt0.9Pd0.1)3Fe/C在催化反应过程中会由(Pt0.9Pd0.1)3Fe结构转变为(Pt0.9Pd0.1)3HxFe/Fe(OH)x结构。电化学过程中形成的H原子会自发进入Pd的晶格，拓宽了d带电子结构，使得d带中心远离Fermi能级，有利于反应中间体Had的脱附。同时，形成的Fe(OH)x物种能够增强催化剂表面对OHad的吸附，促进了碱性氢氧化反应的进行。

要点三：Fe原子周围的Pt/Pd局部配位环境提升催化稳定性

非原位的CO-stripping测试证实了(Pt0.9Pd0.1)3Fe有序金属间化合物在电化学活性面积衰减率方面具有明显优于Pt3Fe合金的催化稳定性。这是由于有序(Pt0.9Pd0.1)3Fe金属间化合物中，Fe原子周围的Pt/Pd原子局部配位环境使得形成的Fe/Fe(OH)x异质结构能够在催化反应过程中稳定保持，减缓了在形成Fe(OH)x物种的同时，由于Fe-Fe之间的相互作用导致大幅度降低催化剂电化学活性面积的结果。

要点四：前瞻

有序金属间化合物纳米材料已经被广泛应用于氢析出反应、氧还原反应、甲酸氧化反应以及CO氧化反应等多项领域，并且均展示出优异的催化活性和稳定性。但是，目前应用于碱性氢氧化反应的报道却还很少见，因此非常有望被用于提升催化剂的碱性氢氧化活性和稳定性。同时，通过本工作我们还认识到关注催化剂在催化反应过程中的实时结构转变对于构效关系以及催化机理的探究至关重要。

文章链接

Self-Optimized Ligand Effect in L12-PtPdFe Intermetallic for Efficient and Stable Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction

https://doi.org/10.1021/acscatal.0c03938

通讯作者介绍

王得丽，华中科技大学教授/博导。

2008年7月博士毕业于武汉大学，博士毕业后先后在新加坡南洋理工大学燃料电池研究中心和在美国康奈尔大学能源材料研究中心做博士后研究工作，2013年初入职华中科技大学。多年来一直从事燃料电池电极催化剂以及锂电池电极材料的设计以及性能优化方面的研究。近五年来，在Nat.Mater.， Nat. Commun.， JACS， Nano Lett. 国内外知名学术期刊上发表论文100余篇，获得美国授权发明专利2项，中国发明专利6项，担任《Nano Materials Science》、《Energy&Fuels》、《J.Phys Energy》、《储能科学与技术》杂志编委，《Chinese Chemical Letter》青年编委以及加拿大国际电化学能源科学研究院青年委员。

课题组隶属于华中科技大学能量转换与存储材料化学教育部重点实验室。

●课题组主页：

http://deli.chem.hust.edu.cn/