钟传建教授/王丽昌教授/Valeri Petkov教授等NC：高稳定性铂钯基三元合金纳米颗粒燃料电池催化剂中的合金-重合金问题- 大数跨境

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钟传建教授/王丽昌教授/Valeri Petkov教授等NC：高稳定性铂钯基三元合金纳米颗粒燃料电池催化剂中的合金-重合金问题

科学材料站

2021-02-19

导读：该论文报道了一种拥有自修复能力的碱金属铜含量大于50%的铂钯基合金纳米颗粒氧还原催化剂，并表现出非常高的氧还原活性及稳定性。该论文指出催化剂的重合金现象发挥了非常重要的作用。

文章信息

高稳定性铂钯基三元合金纳米颗粒燃料电池催化剂中的合金-重合金问题

第一作者：吴志鹏

通讯作者：钟传建*，王丽昌*，Valeri Petkov*

单位：美国纽约州立大学宾汉姆顿大学、天津大学

研究背景

质子交换膜燃料电池可以将存储在化合物中的能量转化为电能。氧还原反应是发生在燃料电池阴极的反应。然而，由于缺乏高效、廉价而又稳定的氧还原催化剂，质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用受到了极大的制约。

本文以碳负载的铂钯铜三元合金纳米颗粒作为氧还原催化剂，结合一系列表征手段（如原位同步辐射X射线）和第一性原理理论计算，系统地研究了含有碱金属（如铜、钴、镍等）的贵金属基合金催化剂在氧还原反应条件下的合金-去合金-重合金过程。

在这种有自修复能力的“不锈钢”合金催化剂中，本文开创性地证实了重合金过程的存在，这种重合金现象的发生使得碱金属铜能够在强酸性和外加电压的恶劣环境中以合金状态稳定存在，为本领域和相关领域的研究提供了非常重要的借鉴意义。

文章简介

近日，来自纽约州立大学宾汉姆顿大学的钟传建教授，在国际顶级期刊Nature Communications 上发表题为“Alloying–realloying enabled high durability for Pt–Pd-3d-transition metal nanoparticle fuel cell catalysts”的研究论文。

该论文报道了一种拥有自修复能力的碱金属铜含量大于50%的铂钯基合金纳米颗粒氧还原催化剂，并表现出非常高的氧还原活性及稳定性。该论文指出催化剂的重合金现象发挥了非常重要的作用。

图1. 原位同步辐射高能X射线结合对分布函数解析铂钯铜三元合金催化剂在氧还原反应前后的结构变化。

图2. 图解合金催化剂在反应条件下的去合金与重合金现象。

本文要点

要点一：纳米粒子和表面合金的稳定性

传统观点认为，在强酸性电解液及外加电压的恶劣条件下，碱金属（如铜、镍、钴、铁等）会全部析出，从而形成稳定的铂皮肤或者铂壳层的结构。

本文论证了一种全新的观点，即铂钯铜三元合金皮肤能够在电化学或燃料电池测试条件下稳定存在。一旦达到某种平衡状态，这种合金状态能够通过自修复稳定地存在并表现出高活性与高稳定性。各种实验结果与理论计算均支持了这一观点。

要点二：重合金过程的重要作用

在电化学条件下，碱金属在经历了初期非常快速的去合金过程之后，会达到一个稳定态。本文指出这种稳定态不是结构不再进行变化的铂皮肤，而是一个结构在时时刻刻发生变化的合金状态。

在去合金之后，重合金的发生使得这种合金结构能够稳定存在，并且使其表现出高的氧还原活性和稳定性。本文通过原位同步辐射高能X射线和燃料电池技术证实了这种重合金过程的存在。

要点三：辅助贵金属钯和碱金属铜的协同作用

合金中钯的作用有四点：

1、与贵金属铂产生协同效应，提高催化剂性能；

2、钯耐腐蚀，提高催化剂的稳定性；

3、钯有更强的金属延展性，帮助催化剂实现自修复；

4、钯相比于铂的氧化电位更负，可促进形成钝化膜。

合金中碱金属铜的作用有五点：

1、稳定的催化剂中铜原子含量大于50%可大大降低成本；

2、诱导产生大于4%的晶格应变，提高催化剂活性；

3、调控贵金属的电子结构，提高催化剂活性；

4、参与重合金过程；

5、理论计算结果显示，表面含有铜的合金模型能够大大降低氧还原关键反应的活化能垒，促进反应动力学。

文章链接

“Alloying–realloying enabled high durability for Pt–Pd-3d-transition metal nanoparticle fuel cell catalysts”

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21017-6

通讯作者介绍

钟传建教授。

美国发明科学院院士，纽约州立大学宾汉姆顿大学终身教授。主要从事金属、合金和核壳纳米材料的合成及组装、纳米催化剂、燃料电池、化学生物传感器等方面的研究。在Nat. Commun., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.， ACS Catal. 等学术期刊上发表研究论文300余篇，被引用H因子80，获得美国专利19项，出版专著章节十余篇，在国际会议、论坛等做了100多场次的主题和邀请报告。

吴志鹏博士。

吴志鹏博士2019年博士毕业于天津大学，2016至2018年在纽约州立大学宾汉姆顿大学进行访问交流，师从纳米科学家钟传建教授和理论计算科学家王丽昌教授，主要研究方向是燃料电池以及电解水中的纳米催化剂的催化机理问题，擅长结合实验探索与理论计算来解决催化科学中的问题，以第一作者或通讯作者在Nat. Commun., Acc. Chem. Res.，Adv. Mater.，ACS Catal.，Adv. Funct. Mater.等学术期刊发表研究论文20余篇，出版专著章节一篇。