Version of record online: 19 April 2020
苏州大学
纳米线催化剂，特别是一维超细纳米线（NW）结构，由于具有原子效率高、各向同性、高折射率面丰富、导电性好、结构稳定、不易溶解等优点，与其它形貌的pts纳米催化剂相比，正受到越来越多的关注。尽管有这些优点，但要实现对超细Pt基纳米晶的尺寸、晶相结构和成分的精确控制仍然是一个挑战。作者综述了近年来提高超细Pt基纳米催化剂催化性能的有效途径，并给出了详细的指导。并介绍了超细Pt基纳米催化剂在先进催化和多相反应中的研究进展。
【背景简介】
1.为什么是要研究高性能电催化剂？
传统化石燃料的过度消耗和不断增加的环境污染，加上全球人口的迅速增长，促使研究人员探索可再生和可持续的能源设备。可再生能源转换和储存设备，如直接燃料电池（DFC），水电解，和可充电金属-空气电池因其独立于传统化石燃料、碳排放量少、供应链广而备受关注。尽管有这些优点，但由于其催化性能有限，在实现大规模实际应用之前，仍需进一步研究催化剂，这是可再生能源转换和储存装置的关键。因此，高性能电催化剂得到了广泛的研究。
2. 铂催化剂的优异表现
铂（Pt）和铂基纳米材料因其优异的性能而成为许多催化反应的重要催化剂。在众多候选材料中，双金属或多金属铂基纳米材料因其降低了铂的使用量和提高了性能而引起了科研人员研究兴趣。
更重要的是，加入铂中的金属不仅调节铂的电子结构以促进催化过程，而且暴露出更多的表面活性区以提供丰富的表面活性位，从而提高催化性能。例如，形成双金属或多金属铂基纳米催化剂可以有效地降低铂的d带中心从而显著提高催化活性，设计和开发先进的铂基纳米结构的新方法对于电化学和非均相反应具有重要的应用价值。除了通过合金形成的电子结构调节外，催化剂的几何结构工程是一种有效的电催化反应策略，因为电化学和非均相反应通常发生在催化剂表面。
在这种情况下，卓越的催化剂应具有高的表面活性区，以提供足够的活性中心和适当的吸附能，从而优化反应中间体的吸附强度。在各种结构的铂基纳米催化剂中，1D纳米结构，特别是直径小于10nm的一维超细纳米线，由于其独特的各向异性、高的原子利用率、快速的电荷转移、良好的抗溶解性、聚集性、易奥斯特瓦尔德熟化等结构优点，而受到了广泛的关注。
除了UNWs固有的优点外，还通过表面和界面改性、化学成分调节等措施，进一步提高了铂和铂基UNWs的催化性能，晶体刻面操作[得益于上述巨大努力，基于铂的先进UNWs的开发取得了显著进展。
首先，通过选择性地暴露活性表面和谨慎地优化近表面成分，反应物有更高的活性位点。其次，通过加入第二种金属，铂的d-带中心和电子结构可以被精细地修饰。通过对具有特定刻面（尤其是高折射率刻面）的铂基非晶合金进行工程化，可以赋予催化剂高密度的台阶、边缘和协调的不饱和金属原子，作为催化反应的活性中心。
图1. PtGa-unss的演化过程。
【文章介绍】
近日，苏州大学的杜玉扣等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials (2018 影响因子：15.62)上发表题为“Ultrafine Pt-Based Nanowires for Advanced Catalysis”的综述。本文第一作者是Hui Xu。
作者着重介绍了铂系UNSS在组成、表面、界面、晶界、应变工程等方面促进电催化的最新进展。这其中包括醇（甲醇、乙醇、乙二醇、甘油）氧化反应（AOR）、甲酸氧化反应（FAOR）、氧还原反应（ORR）、析氢反应（HER）和一些非均相反应。该综述讨论的一个关键问题是提高催化性能的机理，即组成、表面、界面、晶面和应变工程对铂基UNWs电子结构和活性中心的影响。此外，该综述还对Pt基UNWs进行了简要的总结和展望，为制备更高效的能量转化反应催化剂提供了新的思路。
图2. 催化剂的形貌表征
a) The evolution process of PtGa UNWs and
b) its atomic-resolution HAADF-STEM image.
c) TEM and
d) atomic-resolution HAADF-STEM images of Rh-doped Pt UNWs.
e) Pt L3-edge EXAFS spectra (blue) in R space for Rh-doped Pt NWs and Pt reference.
f) PDOS of surface atoms on Pt (111) and Pt7Rh (111) slabs.
图3. 不同催化剂催化效果比较
a) Schematic illustration for the ethanol oxidation to CO2 with enhanced C1 pathway.
b) CV curves of different catalysts for EOR in acid solution.
c) SA and MA of different catalysts toward EOR at 1.0 V versus RHE.
d) Comparison of If/Ib ratios and e) CO stripping curves of Pt−Rh NWs/C and Pt NWs/C.
f) Concentrations of C2 products and g) Faradaic efficiencies of different catalysts. h) EOR sketch of PtRh NWs/C.
i) HAADF-STEM image.
j) Atomic-resolution aberration-corrected HAADF-STEM image of Pt–Mo–Ni NWs.
l) 3D HAADF-STEM intensity profile and (l) EDS mapping of Pt–Mo–Ni NWs.
m) SA of different catalysts recorded in 0.5 m H2SO4 + 2 m CH3CH2OH solution.
n) Histogram for the SA and MA of all catalysts.
文章链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000793
老师简介:
杜玉扣 男，1986年毕业于盐城师范学院，1994年获中科院物理所硕士学位，1997年获中科院感光化学所博士学位，2001，2005年两次在日本东京理科大学做访问学者，现为苏州大学材料与化学化工学部教授，博士生导师。
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