【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(xué)在便攜式能源領(lǐng)域具有重要的北京應(yīng)用前景。甲酸分子結(jié)構(gòu)簡單，科技其氧化反應(yīng)是大學(xué)研究電催化劑構(gòu)效關(guān)系、理解電催化過程基本原理的北京重要模型反應(yīng)。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(xué)產(chǎn)生活性中間產(chǎn)物的北京脫水過程；間接路徑，產(chǎn)生CO中毒物種的科技脫氫過程。設(shè)計合成特定的大學(xué)多組分材料，精確調(diào)控其表界面結(jié)構(gòu)，北京促進(jìn)直接路徑速率，科技抑制中毒物種產(chǎn)生，大學(xué)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(fā)現(xiàn)在甲酸氧化反應(yīng)中顯示出優(yōu)異的催化性能。優(yōu)化Pt-Au協(xié)同作用，構(gòu)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(xué)王榮明教授課題組開發(fā)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(fù)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(fù)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(tuán)聚，實現(xiàn)了Pt、Au粒子在炭黑顆粒上的高密度均勻負(fù)載。通過深入細(xì)致的透射電子顯微學(xué)等表征分析發(fā)現(xiàn)，合成出的Pt-Au/C催化劑具有表面干凈、顆粒負(fù)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(yīng)中，Pt-Au/C顯示出14.5 A?mg?Pt-1的質(zhì)量比活性，是商業(yè)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(fā)現(xiàn)，Pt-Au/C顯示出遠(yuǎn)高于Pt/C的電流穩(wěn)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(xié)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(fā)表在近期的Nano Energy上。
【圖文導(dǎo)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(jié)果
【小結(jié)】
該研究開發(fā)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(fù)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(yè)Pt/C的質(zhì)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(yōu)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(yīng)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(guān)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(shè)計調(diào)控、原子結(jié)構(gòu)表征和構(gòu)效關(guān)系研究等方面獲得了一系列進(jìn)展。發(fā)現(xiàn)了FePt納米粒子表層存在的晶格馳豫現(xiàn)象和原子重構(gòu)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)其具有富Pt梯度殼層正二十面體結(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)真空熱處理過程中NiAu粒子經(jīng)歷了四個演化階段，提出了相應(yīng)的原子結(jié)構(gòu)演化模型[Nanoscale 5 (2013) 5067]；設(shè)計合成了超薄殼層NiPt空心納米結(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)演化及其與催化、磁學(xué)之間的關(guān)系[Chem. Commun. 50 (15) (2014) 1804; Nanoscale 8 (2016) 11432; Nano Res. 10 (2017) 187; Nano Res. 10 (2017) 3238].
文獻(xiàn)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(xué)王榮明教授課題組供稿。
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