西安交大金明尚教授Nano Letters：非晶PdM（M = Cu，Fe，Co，Ni）合金纳米线的低温合成策略及其电催化应用- 大数跨境

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西安交大金明尚教授Nano Letters：非晶PdM（M = Cu，Fe，Co，Ni）合金纳米线的低温合成策略及其电催化应用

科学材料站

2021-04-11

导读：本文利用特殊配体吸附产生非贵金属非晶核，在低温环境下通过置换反应引入钯原子，从而实现PdM（M = Cu, Fe, Co, Ni）非晶态合金纳米线的制备。

文章信息

非晶PdM（M = Cu，Fe，Co，Ni）合金纳米线的低温合成策略及其电催化应用

第一作者：王伟聪，贺天欧，杨小龙

通讯作者：金明尚*

单位：西安交通大学

研究背景

开发高效电催化剂是清洁能源转换领域的一项重要任务。由于其独特的各向同性结构，非晶材料在催化性能、电子转移和耐腐蚀性等方面具有显著的优势，是制备高活性、长寿命电催化剂的理想选择。

贵金属如钯和铂一直被认为是电催化剂中必不可少的元素。通过制备钯和铂基非晶纳米材料并将其应用于各种电催化反应，有望进一步促进其在能源催化领域的大规模应用。

然而，由于贵金属原子间的强键合作用，这类材料的非晶态结构的制备是一个很大的挑战。此前，研究人员主要依靠苛刻的高温技术（如热分解/还原、快速冷却）来实现非晶态贵金属纳米材料的合成。相比之下，在温和条件下成功合成贵金属基非晶纳米材料的技术仍然十分有限，这严重阻碍了此类催化剂的实际应用。

基于此，本工作开发了一种新颖、普适的低温合成非晶态贵金属纳米材料技术，并将其应用于甲酸氧化的电催化反应中，为高效电催化剂的理论研究和实际应用开辟了一个新的发展方向。

文章简介

基于此，西安交通大学金明尚教授在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“General Synthesis of Amorphous PdM (M = Cu, Fe, Co, Ni) Alloy Nanowires for Boosting HCOOH Dehydrogenation”的论文。

本研究采用特殊配体吸附非贵金属的非晶核，在低温环境下通过置换反应引入钯原子，从而实现了PdM（M=Cu，Fe，Co，Ni）非晶合金纳米线的制备。以非晶态纳米线催化剂作为甲酸氧化反应的催化剂，其催化性能最佳。

以钯铜非晶态合金纳米线为例，电催化甲酸氧化反应的质量活性和面积活性分别达到2.93 A/mgPd和5.33 mA/cm2，是目前报道的钯铜基催化剂中的最高值，这说明非晶态合金催化剂比晶态材料有很大的优势。进一步的理论计算表明，非晶态结构能有效活化稳定的C-H键，从而显著促进甲酸的解离。

图1. 我们利用由配体吸附产生的非晶态非贵金属核为模板，诱导非晶态PdM纳米线（M=Fe、Co、Ni和Cu）的生长。当用作电催化剂催化甲酸氧化时，非晶结构的存在可以显著促进C-H键的解离以促进甲酸的电催化氧化。

本文要点

要点一：利用配体强吸附作用诱导非晶态非贵金属纳米核的形成

由于贵金属原子间的强键合作用，非晶贵金属纳米材料的制备成为当前研究的一个难点。本文创新性地提出利用非贵金属弱键能的特点，构建易产生非晶相的非贵金属纳米核，并以此为模板材料诱导贵金属非晶相的生成。

在非贵金属纳米核的制备中，作者选择了吸附效应强的配体，利用其在纳米颗粒表面的强吸附作用打乱非贵金属原子的排列，成功地构建了非贵金属非晶纳米核。

图2. 利用非晶态非贵金属纳米核诱导产生非晶态钯基纳米线。

要点二：借助置换反应在非晶结构中引入钯原子

在以往对贵金属晶体纳米材料的研究中，置换反应通常被用于将第二种金属元素引入纳米材料中来构建合金或模板生长。

在这项工作中，作者以非晶态非贵金属纳米核为模板，巧妙地利用置换反应和动力学的精确控制，成功地将贵金属原子引入到非晶态非贵金属纳米核中，最终实现了低温（<100℃）制备非晶态钯基合金纳米线。

同时，这一战略具有很强的普适性。作者利用该方法进一步制备了一系列不同组分的非晶态钯基合金纳米线，如钯铜、钯铁、钯钴和钯镍非晶态合金纳米线。

图3.非晶态钯基纳米线的普适制备。

要点三：非晶结构对钯铜合金纳米线甲酸氧化电催化性能的影响及DFT计算

在甲酸氧化反应的电催化实验中，非晶态钯铜纳米线表现出非常优异的催化性能，其质量活度可达2.93 A/mgPd。对不同结晶度的钯铜纳米线催化剂进行了性能测试，发现随着催化剂结晶度的降低，其催化活性提高，结果表明，这种非晶态结构对钯基甲酸氧化催化剂的催化性能有显著的改善。

此外，作者还利用密度泛函理论（DFT）探讨了催化剂结构与催化性能的关系。计算结果表明，催化剂的非晶态结构所引起的高表面活性能极大地促进甲酸分子C-H键的裂解，从而促进甲酸氧化反应的电催化性能。

图4.不同催化剂甲酸氧化性能测试及理论计算。

文章链接

General Synthesis of Amorphous PdM (M = Cu, Fe, Co, Ni) Alloy Nanowires for Boosting HCOOH Dehydrogenation

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00074

通讯作者介绍

金明尚西安交通大学教授，博士生导师。

于2012 年获得厦门大学理学博士学位（导师为谢兆雄教授），2009 年10 月至2011 年10 月获国家留学基金委的资助公派至美国华盛顿大学圣路易斯分校夏幼南教授课题组进行联合培养（导师为夏幼南教授）。2008年获中国化学会青年论文奖；2012年获得厦门大学理学博士学位，2016年入选西安交通大学青年拔尖人才计划，2018 年入选第二批“陕西省普通高校青年杰出人才计划”。研究方向为电催化能源转化。在相关领域发表SCI论文60余篇，包括Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS Nano, Nano Lett.等国际著名刊物，SCI引用6600余次；出版专著1部（章）；授权国家发明专利3项，美国发明专利1项。

课题组介绍

课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/jinm