黄宏文教授、周一歌教授、程涛教授，Nano Letters：超细Pt纳米线在ORR催化中的反常尺寸效应- 大数跨境

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黄宏文教授、周一歌教授、程涛教授，Nano Letters：超细Pt纳米线在ORR催化中的反常尺寸效应

科学材料站

2021-11-06

导读：该文章分析了超细Pt纳米线在ORR催化反应中的反常尺寸效应，同时揭示了这种反常效应的来源。

文章信息

超细Pt纳米线在ORR催化中的反常尺寸效应

第一作者：姚昭羽，袁禹亮，程涛，高磊

通讯作者：黄宏文*，周一歌*

单位：湖南大学，苏州大学

研究背景

氢氧燃料电池严重依赖对Pt催化剂的使用，由于Pt的贵金属特性，使得氢氧燃料电池的商业化推广面临巨大的成本问题。解决办法之一是进一步降低Pt纳米颗粒的尺寸，提高Pt的利用率，从而在较低的Pt使用量情况下实现相同的催化性能。

然而，经典的尺寸效应研究表明，随着Pt颗粒尺寸的降低，Pt颗粒的本征催化活性也会降低，使得Pt颗粒在2-3 nm区间内具有最高的质量活性（目前商用Pt/C催化剂的Pt颗粒尺寸一般在此范围），限制了这一策略的使用。

本篇论文发现了超细铂纳米线上的ORR反常尺寸效应，结果显示Pt纳米线的直径可进一步降低至1nm左右并且维持高的催化活性和稳定性，文章进一步分析了这种效应的本质来源。

本文在本质上揭示了Pt超细纳米线的结构优势及在燃料电池中的应用潜力。此外，对反常尺寸效应本质的理解为进一步提高Pt的利用率提供了新的思路，有助于加速Pt基ORR催化剂的研究和实际应用。

文章简介

在这里，来自湖南大学材料科学与工程学院的黄宏文教授与化学化工学院的周一歌教授以及苏州大学的陈涛教授合作，在国际知名期刊Nano Letts上发表题为“Anomalous Size Effect of Pt Ultrathin Nanowires on Oxygen Reduction Reaction”的文章。该文章分析了超细Pt纳米线在ORR催化反应中的反常尺寸效应，同时揭示了这种反常效应的来源。

图1. Pt纳米线上的反常尺寸效应来源于应力效应和配位数效应的不同竞争机制

本文要点

要点一：Pt纳米颗粒在ORR催化中的经典尺寸效应

经典的观点认为，铂纳米颗粒对氧还原电催化反应的活性和耐久性均会随着纳米颗粒尺寸的降低而降低。这是因为纳米颗粒尺寸的降低使得低配位Pt原子的比例会越来越高，由于低配位Pt原子对氧还原关键反应中间体OH的吸附能力过强，所以降低了催化剂的本征催化活性。这导致了研究人员无法通过进一步降低铂纳米颗粒的尺寸来提高铂的利用率。

要点二：应力效应和配位数效应

在对超细铂纳米线的研究中，研究人员发现随着铂纳米线的直径由2.4 nm降低至1.1 nm，对应氧还原电催化反应的活性和耐久性都呈现单调增加的趋势。为了揭示这种反常的尺寸效应，研究人员分析了应力和配位数这两个决定催化性能的关键因素。结果显示，纳米线直径的减小会增加纳米线上的压缩应力，缩短Pt原子之间的距离，使得催化剂的d能带中心降低，从而降低对OH的吸附，促进ORR的催化性能。另一方面，随着纳米线直径的减小，低配位Pt原子的比例也逐渐增加，使得催化剂对OH的吸附增加，降低ORR的催化性能。因此，应力和配位数两个因素表现出对ORR不同的影响趋势。

要点三：Pt纳米线和Pt纳米颗粒配位数分布的不同

对较大尺寸区间（0.5-7 nm）的Pt纳米线和Pt纳米颗粒进行原子配位数分布的分析表明，随着模型尺寸的降低，纳米线上配位数为6的低配位Pt原子比例变化并不明显（0.08%-0.67%）且比例较低，而纳米颗粒上配位数为6的低配位Pt原子比例由1.2%增加至75.0%。同时对最佳活性位点，也就是配位数为9的Pt原子比例分析发现，纳米颗粒上9配位Pt原子的比例的降幅（70.3%-25.0%）要大于纳米线（74.7%-39.9%）。这种尺寸降低带来的不同配位数分布变化解释了上述反常尺寸效应的来源，即Pt纳米颗粒上低配位Pt原子带来的ORR抑制作用要大于压缩应力产生的ORR促进作用，而Pt纳米线上压缩应力产生的促进作用大于低配位Pt原子产生的抑制作用。

要点四：前瞻

当前对氢氧燃料电池的推广亟需解决Pt催化剂的成本问题，而降低Pt催化剂的尺寸来提高Pt的原子利用率无疑是最直接的方法。由于经典的尺寸效应使得过小的Pt纳米颗粒无法维持较高的本征活性，商用Pt颗粒的尺寸一般维持在2-3nm。因此，该研究论文中Pt纳米线上的ORR反常尺寸效应无疑为解决Pt的利用率问题提供了新的思路。

文章链接

Anomalous Size Effect of Pt Ultrathin Nanowires on Oxygen Reduction Reaction”

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03805

通讯作者简介

黄宏文教授

男，1986年10月出生于湖北省黄冈市。2015年在浙江大学材料科学与工程学院获工学博士学位，师从叶志镇院士。期间赴美国佐治亚理工学院进行博士联合培养项目，师从夏幼南教授。现任湖南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，湖湘青年英才、湖南省优青、湖南大学教师新人奖获得者。目前主要从事高效金属纳米晶催化剂的研究，尤其关注氢燃料电池催化剂的开发。至今发表SCI学术论文60篇，其中包括在J. Am. Chem. Soc.（3篇），Angew. Chem. Int. Ed.（2篇），Nano Lett.（4篇），Adv. Mater.（1篇）, Adv. Energy Mater.（1篇）, Adv. Funct. Mater.（2篇）, ACS Nano（1篇）等学术期刊发表一作/通讯论文38篇；已授权国家发明专利6项；主持国家自然科学基金联合基金、湖湘青年英才、湖南省优青等研究项目7项；担任纳米领域重要期刊Nano Research的青年编委；担任国家自然科学基金评审专家以及J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等顶级期刊的审稿人。

附近年代表性论文，供参考：

1.H.Huang,* et al. Nano Lett. 2021, 10.1021/acs.nanolett.1c03805

2.H.Huang,* et al. Adv. Funct. Mater. 2021, 10.1002/adfm.202108991.

3.H.Huang,* et al. Adv. Funct. Mater. 2021, 10.1002/adfm.202107651.

4. H. Huang,* et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60, 10942-10949.

5. H. Huang,* et al. Nano Lett. 2021, 21, 1003−1010.

6. H. Huang,* et al. Adv. Mater. 2021, 33, 2006494.

7. H. Huang,* et al. Nano Lett., 2020, 201, 1403-1409.

8. H. Huang,* et al. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 18083-18090.

9. H. Huang,* et al. Nano Lett., 2019, 19, 4029-4034.

10. H. Huang,* et al. J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 16159-16167.

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特别资助类：30万元/年+住房补贴2.16万/年+上沙市人才补贴9万+基金/科研奖励。
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2）全职博士后在站期间计算工作年限从进站之日起计算，博士后期间经评审后可认定为副研究员。在站期间成果丰富，入选湖南大学“杰出博士后奖”(每年评选一次)者，可直接申请副教授岗位。

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1）个人简历
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