《材料化學A》刊發(fā)我院李箐教授課題組研究新成果
近日，英國皇家化學會著名期刊 Journal of Materials Chemistry A刊發(fā)了我院李箐教授課題組最新研究成果“Ultrathin and Defect-rich Intermetallic Pd2Sn Nanosheets for Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysis”。上述論文利用種子介導法成功制備了富缺陷、結構有序的二維Pd2Sn納米片，入選 2020 Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators 特邀?？?！
研究背景
氫氧燃料電池是一種極具應用前景的離子交換膜電池，包括質子交換膜燃料電池以及堿性陰離子交換膜膜燃料電池，這類電化學能源轉換裝置輸出性能主要受限于陰極氧還原反應（ORR）較緩慢的反應動力學，研究高效的催化劑勢在必行。目前成功商用的 ORR 催化劑為碳負載鉑納米粒子（Pt/C），但是鉑元素的儲量少、價格較為高昂，且這種催化劑活性、穩(wěn)定性仍然難以滿足人們的需求。因此，開發(fā)活性高、成本低和壽命長的催化劑，包括低鉑基合金催化劑或非鉑催化劑，是氫燃料電池的商用化的迫切需求。
與鉑金屬相比，鈀（Pd）金屬不僅具有更高的儲量，與此同時 Pd 與 Pt 具有類似的電子結構，因此 Pd 是一種具有前景的可替代 Pt 的 ORR 催化劑，受到廣大研究工作者的關注。得益于二維納米結構具有更高密度的活性位點、更大的納米晶-載體相互作用面積，目前報道的 Pd 基二維納米晶都具有良好的催化活性。此外，結構有序的金屬間化合物納米晶，包括Pt基、Pd基金屬間化合物，近年來在電催化劑領域也受到廣泛的關注。得益于金屬間化合物中獨特有序的原子排列結構，Pt（Pd）與過渡金屬之間具有很強的相互作用和較低的結構形成能，因此相比無序合金催化劑，這種金屬間化合物催化劑具有更高的催化活性以及穩(wěn)定性。如果能夠制備結構有序的二維 Pd 基納米晶，結合二維結構以及金屬間有序結構兩者的優(yōu)勢，將會是一種同時提高催化劑活性以及穩(wěn)定性的有效途徑。
基于以上思考，華中科技大學李箐教授課題組采用了一種“種子介導法”制備了結構有序的二維 Pd2Sn 納米片。
圖 1. 使用“種子介導法”制備結構有序的二維 Pd2Sn 納米片示意圖
研究進展
1. 富缺陷、結構有序的二維 Pd2Sn 納米片的表征
通過 TEM、AFM，XRD 以及 XPS 等技術對 Pd2Sn 納米片的形貌和結構進行表征，證明成功地制備了富缺陷、結構有序的二維 Pd2Sn 納米片。其中，納米片的厚度約為 4 nm，可以明顯觀察到納米孔道、晶界等缺陷位，Pd/Sn（~2/1）均勻分布在納米片。此外，Sn 的摻入能夠對 Pd 電子結構進行調控，使得 Pd 原子的 d 帶中心略有下降。
圖 2.（a）Pd 納米片的TEM圖（b）Pd2Sn 納米片的TEM圖（c） Pd2Sn 納米片的HAADF-STEM 圖，（d）Pd2Sn納米片的AFM 圖（e-f）Pd2Sn納米片的HRTEM 圖。
圖 3.（a-b）Pd2Sn 納米片的元素分布以及比例，（c）Pd2Sn 納米片的XRD 圖譜，（d）Pd2Sn 納米片的XPS 圖譜。
2．電催化性能研究
由于Pd2Sn 納米片具有獨特的二維納米結構、富缺陷結構、以及 Sn 對 Pd 電子結構的調控能力，在 0.1 M KOH 中，Pd2Sn 納米片表現(xiàn)出優(yōu)異的催化陰極氧還原反應（ORR）活性。另外，Pd2Sn 納米片還具有有序的原子排布，這能夠提高 Pd-Sn 之間的相互作用，穩(wěn)定晶體內部的 Sn，該有序結構以及二維納米結構協(xié)同提高了催化劑的穩(wěn)定性。
圖 4.（a）氧還原極化曲線，（b）氧還原質量活性（@ 0.9ViR-free），（c-d）無序 Pd-Sn 以及有序 Pd2Sn 納米片循環(huán)穩(wěn)定性。
作者介紹
本研究采用“種子介導法”，成功制備富缺陷、結構有序的二維 Pd2Sn 納米片。研究發(fā)現(xiàn)，這種“種子介導法”能夠在納米片相變的過程中較好的保存二維結構，同時 Pd/Sn 原子擴散、遷移的過程誘導了大量缺陷位點的形成，包括晶界、納米孔道以及表面扭曲等缺陷。通過缺陷位點、二維納米結構以及 Pd-Sn 合金化效應，這種 Pd2Sn 納米片具有良好的氧還原催化性能；而其獨特的有序結構和二維結構則大大提高了催化劑的循環(huán)穩(wěn)定性。這項工作為催化劑的結構設計提供了新的方法和思路。
原文鏈接：
http://dx.doi.org/10.1039/D0TA01767A
文章來源：RSC英國皇家化學會
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