中国科学技术大学 JACS：Pd-Pt四维超立方体结构高性能ORR催化- 大数跨境

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中国科学技术大学 JACS：Pd-Pt四维超立方体结构高性能ORR催化

科学材料站

2021-03-31

导读：该工作报道了Pd-Pt空心框架材料，该材料通过壳体对角线连接成双壳立方体结构，在ORR催化反应中实现了较高的活性。

文章信息

Pd-Pt四维超立方体结构高性能ORR催化

第一作者：Sheng Chen

通讯作者：曾杰、鲍骏

单位：中国科学技术大学

研究背景

空心框架材料在催化领域中扮演重要意义，因为空心框架材料是由脊状结构和内部空心组成，最大限度地实现了活性位点的可接近性，因而具有作为高效催化剂的巨大潜力。制备空心纳米结构的典型策略是蚀刻。

一般来说，在蚀刻过程中，相对不稳定的金属物种部分或完全溶解，而稳定的金属物种作为最终产品的固体框架发挥作用。例如，空心Pt3Ni纳米框架是通过选择性刻蚀PtNi3十二面体和分离相制备的。特别地，Pt和Ni原子都从十二面体的富Ni内部被移除，而稳定的富Pt边缘保留下来。

另一个例子是，用硝酸对Pd-Pt核-壳结构进行化学腐蚀以去除Pd核，从而形成带有几个原子层的Pt壳。然而，在纳米立方体中几乎不可能获得具有镶嵌线形状的稳定框架。因此，将纳米立方体选择性蚀刻到镶嵌材料中仍然是一个巨大的挑战，因为这一过程不仅涉及不稳定物种的溶解，而且还涉及内部稳定物种的迁移。

文章简介

近日，中国科学技术大学曾杰、鲍骏在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Controllably Engineering Mesoporous Surface and Dimensionality of SnO2 toward High‐Performance CO2 Electroreduction”的研究工作。

该工作报道了Pd-Pt空心框架材料，该材料通过壳体对角线连接成双壳立方体结构，在ORR催化反应中实现了较高的活性。通过刻蚀处理，选择性消除Pd原子，同时随后剩余的Pd和Pt原子进行重排，生成四维超立方体结构Pd-Pt材料。

本文要点

要点一： 通过原子刻划从Pd-Pt纳米立方体制备了Pd-Pt魔方，并展示了相应的合成机制。具体来说，最外层相对不稳定的Pd原子被去除，形成空位供内部Pd原子进一步溶解，而Pt原子则聚集在侧面边缘和主体对角线上。还通过不同元素比例的Pd-Pt纳米立方体作为模板，随后分别合成得到Pd-Pt纳米八足体结构、四维超立方体结构、纳米框架结构。

要点二： 根据机理研究，表面Pd原子易受氧化腐蚀，而Pt原子迁移和重排会降低表面能。具体地说，Pt原子倾向于在（111）面上迁移，并且在Pd和Pt表面的（110）面上抵制迁移。在ORR过程中，Pd–Pt纳米晶的质量活度最高，为1.86 A mg–1Pt，比活度为2.09 mA cm–2，分别是Pt/C（0.16 A mg–1Pt和0.25 mA cm–2）的11.6倍和8.4倍。

要点三：本文揭示了均匀分布的双金属纳米晶的刻蚀过程，不仅加深了研究者对刻蚀机理的理解，而且为设计新型催化中空框架结构提供了有效的策略。

文章链接

Pd–Pt Tesseracts for the Oxygen Reduction Reaction

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12282

通讯作者介绍

曾杰中国科学技术大学教授、博士生导师。

国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才入选者，国家重大科学研究计划青年专项首席科学家。

曾杰教授已在Nature Nanotechnol. (2篇)，Nature Energy (1篇)，Chem (1篇)，Nature Commun. (8篇)，Chem. Rev. (2篇) ，JACS (12篇) ，Angew. Chem. Int. Ed. (18篇) ，Nano Lett. (19篇)，Adv. Mater. (9篇) 等高影响力学术期刊发表了162篇论文，h-Index为60，被SCI引用12000余次。出版书籍三部，申请美国专利4项，申请中国专利41项。部分研究成果被Nature Mater. 杂志、Angew. Chem. Int. Ed. 杂志、C&EN News、Materials Views等国际科学媒体广泛报道，并多次被CCTV、《人民日报》、《人民日报（海外版）》、《光明日报》、《科技日报》等多家国内主流媒体关注。

研究方向：

随着对环境意识的增强和对有限资源认识的加深，为了减少对石油化工能源等不可再生资源的依赖，寻求并开发清洁、廉价、便捷、有效的能源供给和储存方式已经成为能源产业的首要任务。这其中，设计和制备廉价且高效的催化剂不论是在能源领域的科学研究中还是在产业化进程中都至关重要。曾杰教授将研究领域聚焦于选择性高效转化碳基小分子（如CO、CO2和CH4）制备液体燃料和高附加值化工品，从材料和机理两个方面开展研究工作。

（一）在原子尺度精准设计催化剂表界面活性位点，并调控其配位原子结构和电子结构。该方面工作涉及：构筑单原子、金属间化合物等具有特定原子和组分分布的催化剂；通过配位环境和表面应力调控强关联体系催化剂的能级劈裂、轨道杂化、自旋简并、自旋-轨道耦合等电子结构。

（二）在原子分子尺度探索碳基小分子活化转化过程中的关键过程和调控机制。主要关注催化反应过程中的活性相转变、催化反应路径、表面重构、反应物和中间产物的吸附过程、产物的脱附过程、溢流、表面等离激元共振等。该方面工作涉及在原位反应条件下对催化剂表界面和反应中间体进行高时空分辨和高灵敏表征，以及催化反应的理论模拟和动力学研究。

鲍骏，中国科学技术大学国家同步辐射实验室研究员，博士生导师。

2001年在中国科学技术大学化学物理系获博士学位，2006年至2008年在日本富山大学工学部从事博士后研究。长期从事合成气催化转化、半导体光催化、同步辐射及应用等领域的研究。近年来已主持并完成国家自然科学基金项目、科技部973子课题、重点研发计划子课题、教育部985工程项目等十余项课题的研究，总经费逾1000万。迄今已在Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Comm., Catal. Sci.Tech., ChemCatChem, ACS Catal., Nanoscale, Appl. Catal. A., Appl. Catal. B等期刊上发表SCI收录论文60多篇，被他人引用1500余次，H因子23。受邀请参与撰写英文专著2部，获授权发明专利9项。

研究方向：

1、能源催化材料

2、同步辐射及应用