氧還原反應(yīng)因其在質(zhì)子交換膜燃料電池中的重要性,已經(jīng)引起了極大關(guān)注。該反應(yīng)是一個(gè)較慢的過(guò)程,同時(shí)過(guò)電勢(shì)通常能達(dá)到300 mV左右,因此需要通過(guò)設(shè)計(jì)催化劑來(lái)提高該反應(yīng)的活性。金屬鉑具有穩(wěn)定的高性能,已被廣泛用來(lái)催化氧還原反應(yīng)。通常人們認(rèn)為鉑納米催化劑表面的高指數(shù)晶面有利于提高其電催化性能。然而近期我院熊宇杰教授課題組與新加坡南洋理工大學(xué)David Lou的一項(xiàng)合作研究表明,為實(shí)現(xiàn)高電催化性能,并非需要在催化劑表面具有大面積的高指數(shù)晶面覆蓋度。該工作為電催化材料設(shè)計(jì)提供了新的視角,發(fā)表于國(guó)際重要化學(xué)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 5666),共同第一作者是我?;瘜W(xué)系博士生馬亮、理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心高級(jí)工程師王成名和南洋理工大學(xué)博士后Bao Yu Xia。
鉑納米晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與相應(yīng)電催化性能比較
與常見(jiàn)的基礎(chǔ)晶面相比,高指數(shù)晶面具有更多的臺(tái)階面和未配位飽和原子,從而展現(xiàn)出更高的催化活性。然而在電催化體系中,是否催化劑表面的高指數(shù)晶面覆蓋度與電催化性能之間具有特定的關(guān)系尚未清楚。這一規(guī)律的闡明首先需要在材料合成上構(gòu)造一系列具有可控高指數(shù)和基礎(chǔ)晶面比例的納米結(jié)構(gòu)。
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針對(duì)該挑戰(zhàn),熊宇杰課題組基于先前發(fā)展的具有{311}高指數(shù)晶面的鉑多足分形結(jié)構(gòu)(ACS Nano 2012, 6, 9797),發(fā)展了一種鎳離子欠電位沉積的合成路線(xiàn),實(shí)現(xiàn)了從多足分形結(jié)構(gòu)表面的{311}高指數(shù)晶面向立方分形結(jié)構(gòu)表面的{100}基礎(chǔ)晶面的逐步演變。我校武曉君教授課題組進(jìn)而通過(guò)理論模擬,揭示了鎳離子在鉑納米晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的表面能調(diào)控作用。
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基于該系列具有不同{100}晶面覆蓋度的演變產(chǎn)物,研究人員通過(guò)系統(tǒng)的電化學(xué)與電子顯微學(xué)表征,揭示了鉑立方分形結(jié)構(gòu)的平整表面有利于降低與電極的接觸電阻,而其交界處的少量{311}高指數(shù)晶面賦予其活性位點(diǎn)。二者協(xié)同作用使得該主要覆蓋{100}晶面的立方分形結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原活性,優(yōu)于具有更高{311}表面覆蓋度的中間演變產(chǎn)物。這一“結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)決定電催化性能”的發(fā)現(xiàn)將為未來(lái)電催化材料設(shè)計(jì)發(fā)展提供重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
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研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家及中科院人才計(jì)劃、校重要方向項(xiàng)目培育基金等項(xiàng)目的資助。
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(合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心)?
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