【引言】
直接甲酸燃料電池具有開路電勢高、北京燃料滲透小、科技毒性低等特點，大學在便攜式能源領域具有重要的北京應用前景。甲酸分子結構簡單，科技其氧化反應是大學研究電催化劑構效關系、理解電催化過程基本原理的北京重要模型反應。在Pt基催化劑表面，科技甲酸氧化主要有兩種路徑：直接路徑，大學產生活性中間產物的北京脫水過程；間接路徑，產生CO中毒物種的科技脫氫過程。設計合成特定的大學多組分材料，精確調控其表界面結構，北京促進直接路徑速率，科技抑制中毒物種產生，大學是提高Pt基甲酸氧化電催化劑性能的重要途徑。近年來，Pt-Au體系被發現在甲酸氧化反應中顯示出優異的催化性能。優化Pt-Au協同作用，構建具有豐富活性位點的催化劑材料，是研究中的重點和難點。
【成果簡介】
最近，北京科技大學王榮明教授課題組開發出一種簡便的方法制備出高效的Pt-Au/C甲酸氧化電催化劑，炭黑顆粒上負載的Pt和Au粒子的平均尺寸分別約為1.6和5.4nm，Pt/Au原子比約為32:68，金屬總負載量約為33wt%。該方法在無表面活性劑存在的乙醇/水混合溶液中，利用超聲波的空化作用，有效地防止了Pt和Au粒子的團聚，實現了Pt、Au粒子在炭黑顆粒上的高密度均勻負載。通過深入細致的透射電子顯微學等表征分析發現，合成出的Pt-Au/C催化劑具有表面干凈、顆粒負載密度高、Pt-Au毗連位點豐富等特點。在甲酸氧化電催化反應中，Pt-Au/C顯示出14.5 A?mg?Pt-1的質量比活性，是商業Pt/C催化劑的153倍。在0.05V（vs. SCE）下測試催化劑的計時電流曲線發現，Pt-Au/C顯示出遠高于Pt/C的電流穩定性。密度泛函理論計算表明，毗連的Pt和Au粒子（相距約0.7-1 nm）位點上，甲酸分子氧化直接路徑的勢壘要低于間接路徑，也低于純Pt位點上的直接路徑。該工作不僅揭示了甲酸氧化過程中Pt-Au之間的協同作用，也為合成高性能載體催化劑提供了一種綠色、簡便和有效的思路。該研究成果以Extraordinary electrocatalytic performance for formic acid oxidation by the synergistic effect of Pt and Au on carbon black為題，發表在近期的Nano Energy上。
【圖文導讀】
圖1 超聲輔助方法合成Pt-Au/C、Pt/C和Au/C
圖2 Pt-Au/C、Pt/C和Au/C的XRD圖
圖3 Pt-Au/C、Pt/C和Au/C的SEM圖
圖4 Pt-Au/C的HAADF STEM和HRTEM圖
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圖5 Pt-Au/C的EDS mapping圖和HAADF STEM圖
圖6 甲酸氧化催化結果
【小結】
該研究開發了一種綠色、簡便和有效的方法，合成出具有高甲酸氧化催化活性的Pt-Au/C材料。無表面活性劑的水/乙醇溶液體系確保了催化劑具有干凈的表面，超聲輔助的策略使得Pt和Au粒子在炭黑顆粒表面具有高密度且均勻的負載。該催化劑具有豐富的Pt-Au毗連位點，在甲酸氧化中顯示出153倍于商業Pt/C的質量比活性。密度泛函理論計算表明Pt-Au毗連位點具有明顯優于純Pt位點的催化活性。該Pt-Au/C催化劑在直接甲酸燃料電池中具有巨大的應用前景，超聲輔助的合成方法也為制備高效的載體催化劑提供了新的思路。
【相關研究】
王榮明教授課題組近年來在雙元過渡金屬納米材料的設計調控、原子結構表征和構效關系研究等方面獲得了一系列進展。發現了FePt納米粒子表層存在的晶格馳豫現象和原子重構現象，發現其具有富Pt梯度殼層正二十面體結構[Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 017205; J. Phys. Chem. C 113 (2009) 4395; Nanoscale 1 (2009) 276]；原位研究了NiAu粒子的原子結構演化規律，發現真空熱處理過程中NiAu粒子經歷了四個演化階段，提出了相應的原子結構演化模型[Nanoscale 5 (2013) 5067]；設計合成了超薄殼層NiPt空心納米結構[J. Mater. Chem. 21 (2011) 1925; J. Mater. Chem. A 3 (2015) 1031]、富Pt殼層NiPt八面體納米晶體[ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 10841]，研究其原子結構演化及其與催化、磁學之間的關系[Chem. Commun. 50 (15) (2014) 1804; Nanoscale 8 (2016) 11432; Nano Res. 10 (2017) 187; Nano Res. 10 (2017) 3238].
文獻鏈接：Extraordinary electrocatalytic performance for formic acid oxidation by the synergistic effect of Pt and Au on carbon black?(Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.03.018)
本文由北京科技大學王榮明教授課題組供稿。
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