第一作者：申涛，龚明星
通讯作者：王得丽教授
通讯单位：华中科技大学化学与化工学院
论文DOI：10.1002/adfm.202203921
全文速览
氧还原反应（ORR）生成水是燃料电池、金属-空气电池中的阴极反应，由于涉及4个电子的转移，动力学较为缓慢。在酸性条件下，单金属催化剂中Pt催化ORR的性能最好，但是Pt的储量较低。而同族的金属Pd储量相对较高，通过优化策略可与铂的性能相当，但是Pd在酸性条件下稳定性较差。本工作通过对Pd从组分、位置、载体形貌方面同时优化，提升了其在酸性与碱性条件下催化ORR的稳定性。研究结果表明，组分调控制备PdFe金属间化合物相对于Pd使ORR活性改善，调控PdFe金属间化合物与载体作用形式和载体形貌进一步使稳定性改善。在酸性和碱性条件下进行加速衰老测试时，稳定性均优于Pt/C催化剂。
背景介绍
将氧气还原为水是燃料电池和金属-空气电池的阴极反应，提升ORR速率、降低过电位对于提升电池的输出功率具有重要意义。酸性条件下催化氧气还原活性最好的催化剂主要为Pt基催化剂，但是Pt在地球上的储量较低，需要发展Pt的替代型催化剂以减弱对Pt的依赖性。催化氧气还原过程中，Pd与Pt对于关键中间体的吸附能力相近，并且Pd的储量相对丰富，因此Pd引起了研究者的兴趣。通过合金化等策略可以提升Pd催化ORR的活性，但是在酸性条件下Pd的稳定性较差，特别是在高电位下时的氧化溶解明显大于Pt。在前期工作上，本课题组通过制备各类Pd基金属间化合物使催化ORR的活性与稳定性有所提升。在此基础上，能否进一步通过Pd基金属间化合与载体的位置调控使稳定性进一步提升？
本文亮点
1. 通过硬模板法制备了蛋黄-壳结构的中空碳球内壁负载的PdFe金属间化合物纳米颗粒（O-PdFe@Cm）催化剂，组装成纳米反应器用于催化ORR反应。
图文解析
以SiO2球作为模板，负载PdFe纳米颗粒后在表面聚合多巴胺，进一步碳化的同时促进PdFe有序金属间化合物的形成，将SiO2球刻蚀后制备得到蛋黄-壳结构的O-PdFe@Cm纳米反应器型催化剂（图1a）。通过控制聚合过程中投入多巴胺的量，使得中空碳球为破碎、多孔和完整的形貌。TEM表征证明PdFe纳米颗粒主要在中空碳球内壁，组成为原子有序的金属间化合物结构，纳米颗粒中Pd、Fe分布均匀（图1b-i）。
图1 O-PdFe@Cm的制备示意图与结构表征
图2 O-PdFe@Cm电催化ORR的性能
图3 循环测试后催化剂的TEM表征
图4 Pd基ORR稳定性对比与稳定性改善示意图
总结与展望
本工作制备了不同的Pd基纳米反应器用于提升电催化ORR的稳定性。首先形成Pd基金属间化合物有利于提升ORR活性；进而通过对载体形貌与纳米颗粒存在的位置调控，使ORR稳定性大幅度改善。一方面纳米反应器使得在高电位下溶解的Pd再度沉积，另一方面使PdFe纳米颗粒之间的熟化、聚集受到抑制。研究结果表明，可通过组分、载体、作用形式多方面同时优化来改善电催化剂的使用寿命。
作者介绍
王得丽，华中科技大学教授、博士生导师，博士毕业于武汉大学，康奈尔大学博士后。主要研究方向为能量转换与存储材料的设计以及性能优化。获教育部“新世纪优秀人才计划”、中组部海外高层次人才计划、湖北省“化学化工青年创新奖”、中国表面工程协会“中表镀-安美特青年教师奖”。在Nat. Mater.、Nat. Commun.、JACS、Angew等期刊上发表SCI论文100余篇，获美国发明专利2项、中国发明专利9项。担任《中国化学快报》、《电化学》、《储能科学与技术》、《Nano Materials Science》、《Energy & Fuels》、《J. Phys Energy》杂志编委。
课题组主页http://deli.chem.hust.edu.cn/info/1012/1103.htm
声明
本文仅供科研分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
“邃瞳科学云”直播服务
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系翟女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
扫描二维码下载
邃瞳科学云APP
