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具有相邻铂原子位点的超薄铂铁纳米片以显著提高氧还原活性和抗一氧化碳中毒性能

该工作设计了一种具有相邻铂原子的双金属协同作用的高比表面积电催化剂,不仅仅展现出了优异的氧还原活性和抗一氧化碳中毒能力,还为燃料电池氧还原催化剂的设计提供了新思路。

因为单原子催化剂和二维超薄纳米结构具有更活泼的原子位点和优化的电子结构而展现出良好的催化性质。然而在氧还原反应中,一个快速的四电子反应过程通常最少由两个铂原子完成,这也是高度分散的铂单原子所不能完成的。作者认为通过设计一个密集分散的单原子催化剂,从而构建出相邻的铂单原子位点和高比表面积的催化剂,为提高催化剂性能提供了新思路。

该文出自Nano Letters上的一篇题为“Neighboring Pt Atom Sites in an Ultrathin FePt Nanosheet for the Efficient and Highly CO-Tolerant Oxygen Reduction Reaction”的文章,本文通讯作者为上海交通大学邬剑波特别研究员和伊利诺伊大学香槟分校杨宏教授。

首先通过CO协助法制备了具有褶皱的超薄二维PtFe纳米片,并且相邻铂原子位点载量高达6.7 %。高载量提供了密集分散的相邻Pt原子位点,从而具有良好的电催化活性。并且褶皱的铂铁纳米片只有5-6个原子层厚度(1.2 nm),进一步提高比表面积和暴露铂的活性位。

具有相邻铂原子位点的超薄铂铁纳米片以显著提高氧还原活性和抗一氧化碳中毒性能

X射线吸收光谱和扩展X射线吸收精细结构谱显示了铂铁纳米片中铂的电子结构状态和配位原子数介于纯铂和氧化铂之间。铁原子的引入则有效改变铂的电子结构削弱PtCO键能和促进CO的氧化,从而提高催化剂的抗一氧化碳中毒性能。通过电镜表征发现铂铁纳米片中的铂原子间距离与Pt111)晶面中的铂原子间距一致,从而使相邻铂原子能够吸附同一个氧原子发生四电子过程反应。

具有相邻铂原子位点的超薄铂铁纳米片以显著提高氧还原活性和抗一氧化碳中毒性能

通过电化学表征发现铂铁纳米片的电化学活性面积为545.54 m2/gPt,并且在碱性氧还原测试中质量活性高达商业铂碳的7倍。在经过耐久性测试后铂铁纳米片依然保留了73.9 %的质量活性,而商业铂碳只保留了33.8 %。意味着铂铁纳米片不仅仅具有优异的氧还原催化活性,并且还有极佳的耐久性。之后在一氧化碳毒化实验后铂铁纳米片依然保留了95.38 %的质量活性,对比于商业铂碳只保留了13.76 %,也证明了铁原子对催化剂抗一氧化碳毒化能力的提高。

具有相邻铂原子位点的超薄铂铁纳米片以显著提高氧还原活性和抗一氧化碳中毒性能

最后通过DFT分别计算了COOHFe-Pt111)面和Pt111)面上的吸附能,显示铂铁纳米片具有更弱的OH吸附能和CO吸附能,从而证明了催化剂的优异氧还原活性和抗一氧化碳中毒能力。 

具有相邻铂原子位点的超薄铂铁纳米片以显著提高氧还原活性和抗一氧化碳中毒性能

该工作设计了一种具有相邻铂原子的双金属协同作用的高比表面积电催化剂,不仅仅展现出了优异的氧还原活性和抗一氧化碳中毒能力,还为燃料电池氧还原催化剂的设计提供了新思路。

文献信息:Neighboring Pt Atom Sites in an Ultrathin FePt Nanosheet for the Efficient and Highly CO-Tolerant Oxygen Reduction ReactionNano Letters2018https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b02606

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