【成果簡介】

    近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室、化學與材料科學學院教授俞書宏課題組實現了一維超細四元PtPdRuTe納米管與一維開孔結構的PtCu納米管催化劑的成功制備，該類型催化劑具有穩定而高效的甲醇氧化性能。相關成果以Synthesis of Low Pt-Based Quaternary PtPdRuTe Nanotubes with Optimized Incorporation of Pd for Enhanced Electrocatalytic Activity為題發表在J. Am. Chem. Soc.上。

    【圖文導讀】

    圖1 一維超細四元PtPdRuTe納米管催化反應的高效性

    （A-C） Pt17Pd16Ru22Te45 納米管的HAADF/STEM圖與HRTEM圖像；

    （D） PtPdRuTe，PtRuTe和Pt/C催化劑的質量活度分別歸一化為PtPd和Pt的負載質量；

    （E） Pt17Pd16Ru22Te45 納米管在1000個循環前后的CV曲線。

    圖2 一維開孔結構的PtCu納米管在甲醇氧化催化中的高活性與長期穩定性

    （A） 由高度結晶的納米顆粒組成的PtCu納米管的HRTEM圖，（i-iv）是（A）中方框i、ii、iii、iv所標注區域的放大HRTEM圖；

    （B） 納米管的STEM圖和高分辨率STEM-EDS元素分布圖，顯示Pt和Cu元素呈均勻分布，圖中標尺為50 nm；

    （C） 相關催化劑的質量比活性和面積比活性的對比；

    （D） 質量比活性隨再生時間的變化。

    【研究內容】

    直接甲醇燃料電池是以甲醇為液體燃料的質子交換膜燃料電池，不僅具有燃料來源豐富、價廉、儲運方便安全等優點，而且甲醇具有高的能量密度而受到廣泛關注。然而，甲醇燃料電池的發展受制于陽極甲醇反應的緩慢的反應動力學與金屬鉑催化劑易被毒化等問題而需要提高鉑載量。因此，催化劑暴露在外的活性位點數及表面結構、組成與原子排布對提高鉑利用率與催化性能至關重要。目前，大量的研究集中于探索不同過渡金屬與鉑形成合金或異質結構催化劑，以修飾鉑電子結構，實現降低鉑載量與提高鉑利用率的目的。諸如納米籠、納米框架、中空球等開孔結構的納米材料也通過賦予催化劑高比表面積、多孔性與反應物可三維方向接觸的活性表面，最大化利用了活性金屬以降低成本。此外，制約燃料電池發展的另一個重要的關鍵問題是催化劑的穩定性。目前，在苛刻的電化學環境中，很多鉑基催化劑的性能提升依然受限于納米材料的組成或結構的穩定性。電化學測試過程中，鉑往往會發生氧化或溶解導致活性比表面積的損失或催化活性的下降，這與納米材料的結構和組成相關。針對燃料電池發展的制約因素，通過調控催化劑的結構、組成、表面、鍵長等參數，改善鉑基納米材料的物性和電子結構，對其本征活性的提高與穩定性的保持機制的研究尤為重要。存在的關鍵問題是，如何通過簡單有效的制備方法實現多元催化劑的組成可控并有效利用不同原子在催化反應中的優勢與作用，以及如何設計具有可再生催化性能的高效穩定的陽極催化劑，對甲醇燃料電池的實際應用具有重要的推動作用。

    為此，研究人員采用了高反應活性的碲納米線為模板，利用電勢位差進行置換取代反應，成功制備了一種組成可控的四元PtPdRuTe納米管催化劑，運用具有高電勢電位的鈀與鉑形成合金并實現其組成可控，對降低鉑氧化電位以增強鉑的穩定性非常重要。作為四元催化劑，每一種元素在催化應用中發揮了不可缺少的重要作用：碲納米線作為還原劑與模板的同時，未被取代的碲原子與其他三種貴金屬元素一起支撐納米管結構框架并降低了貴金屬的組成；鉑原子提供解離甲醇的活性位形成Pt-CO，同時釕原子提供解離水形成Ru-OH的活性位，推動鉑活性位上CO的氧化形成CO2；適量鈀原子的加入（16%）對鉑電子結構具有修飾作用的同時，更重要的是鈀可以提高鉑的氧化電位，以減少鉑原子的氧化與刻蝕，增強催化劑的組成穩定性。通過調控組成，增強原子間相互作用，發揮不同原子在催化反應中的優勢，從而促進催化反應的高效進行（如圖1）。除了催化劑的穩定性保持問題，面對有限而昂貴的鉑資源，催化劑的活性再生或重復使用也是一個重要問題。針對這一問題，研究人員展示了一維開孔結構的PtCu納米管在甲醇氧化催化中的高活性與長期穩定性。Pt1Cu1-AA納米管的質量比活性與面積比活性分別達到2252 mA mg-1 與6.09 mA cm-2，是商業化Pt/C催化劑的5.5與10.3倍。穩定性測試后的納米管催化劑的活性不但沒有下降，反而更高或保持初始值，通過簡單的循環伏安測試，可以實現催化劑的高活性再生（如圖2）。穩定性的保持主要得益于活化過程中催化劑表面發生重構，表面銅原子被刻蝕而鉑原子發生重排，形成類核殼結構，壓縮應力增大，大幅度提升了催化劑的穩定性。結合電鏡表征結果，穩定性測試后催化劑表現出更好的結晶性并保持一維納米管結構，具有很好的結構穩定性。整體來說，基于一維尺度的開孔結構PtCu催化劑的開發，有望拓展于其他鉑基材料上，高活性再生在實際燃料電池應用中減少了鉑基催化劑的用量，為催化劑的穩定性的研究提供了新思路。

    上述研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點基金、中科院前沿科學重點研究項目、國家重大科學研究計劃、蘇州納米科技協同創新中心、中科院納米科學卓越中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。

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責任編輯：殷鵬飛

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