北京滚球体育 大学Nano Energy：Pt-Au协同优化构建高效甲酸氧化电催化剂

【引言】

直接甲酸燃料电池具有开路电势高、燃料渗透小、毒性低等特点，在便携式能源领域具有重要的应用前景。甲酸分子结构简单，其氧化反应是研究电催化剂构效关系、理解电催化过程基本原理的重要模型反应。在Pt基催化剂表面，甲酸氧化主要有两种路径：直接路径，产生活性中间产物的脱水过程；间接路径，产生CO中毒物种的脱氢过程。设计合成特定的多组分材料，精确调控其表界面结构，促进直接路径速率，抑制中毒物种产生，是提高Pt基甲酸氧化电催化剂性能的重要途径。近年来，Pt-Au体系被发现在甲酸氧化反应中显示出优异的催化性能。优化Pt-Au协同作用，构建具有丰富活性位点的催化剂材料，是研究中的重点和难点。

【成果简介】

最近，北京滚球体育 大学王荣明教授课题组开发出一种简便的方法制备出高效的Pt-Au/C甲酸氧化电催化剂，炭黑颗粒上负载的Pt和Au粒子的平均尺寸分别约为1.6和5.4nm，Pt/Au原子比约为32:68，金属总负载量约为33wt%。该方法在无表面活性剂存在的乙醇/水混合溶液中，利用超声波的空化作用，有效地防止了Pt和Au粒子的团聚，实现了Pt、Au粒子在炭黑颗粒上的高密度均匀负载。通过深入细致的透射电子显微学等表征分析发现，合成出的Pt-Au/C催化剂具有表面干净、颗粒负载密度高、Pt-Au毗连位点丰富等特点。在甲酸氧化电催化反应中，Pt-Au/C显示出14.5 AmgPt-1的质量比活性，是商业Pt/C催化剂的153倍。在0.05V（vs. SCE）下测试催化剂的计时电流曲线发现，Pt-Au/C显示出远高于Pt/C的电流稳定性。密度泛函理论计算表明，毗连的Pt和Au粒子（相距约0.7-1 nm）位点上，甲酸分子氧化直接路径的势垒要低于间接路径，也低于纯Pt位点上的直接路径。该工作不仅揭示了甲酸氧化过程中Pt-Au之间的协同作用，也为合成高性能载体催化剂提供了一种绿色、简便和有效的思路。该研究成果以Extraordinary electrocatalytic performance for formic acid oxidation by the synergistic effect of Pt and Au on carbon black为题，发表在近期的Nano Energy上。

【图文导读】

图1 超声辅助方法合成Pt-Au/C、Pt/C和Au/C

图2 Pt-Au/C、Pt/C和Au/C的XRD图

图3 Pt-Au/C、Pt/C和Au/C的SEM图

图4 Pt-Au/C的HAADF STEM和HRTEM图

图5 Pt-Au/C的EDS mapping图和HAADF STEM图

图6 甲酸氧化催化结果

【小结】

该研究开发了一种绿色、简便和有效的方法，合成出具有高甲酸氧化催化活性的Pt-Au/C材料。无表面活性剂的水/乙醇溶液体系确保了催化剂具有干净的表面，超声辅助的策略使得Pt和Au粒子在炭黑颗粒表面具有高密度且均匀的负载。该催化剂具有丰富的Pt-Au毗连位点，在甲酸氧化中显示出153倍于商业Pt/C的质量比活性。密度泛函理论计算表明Pt-Au毗连位点具有明显优于纯Pt位点的催化活性。该Pt-Au/C催化剂在直接甲酸燃料电池中具有巨大的应用前景，超声辅助的合成方法也为制备高效的载体催化剂提供了新的思路。

【相关研究】

王荣明教授课题组近年来在双元过渡金属纳米材料的设计调控、原子结构表征和构效关系研究等方面获得了一系列进展。发现了FePt纳米粒子表层存在的晶格驰豫现象和原子重构现象，发现其具有富Pt梯度壳层正二十面体结构[Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 017205; J. Phys. Chem. C 113 (2009) 4395; Nanoscale 1 (2009) 276]；原位研究了NiAu粒子的原子结构演化规律，发现真空热处理过程中NiAu粒子经历了四个演化阶段，提出了相应的原子结构演化模型[Nanoscale 5 (2013) 5067]；设计合成了超薄壳层NiPt空心纳米结构[J. Mater. Chem. 21 (2011) 1925; J. Mater. Chem. A 3 (2015) 1031]、富Pt壳层NiPt八面体纳米晶体[ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 10841]，研究其原子结构演化及其与催化、磁学之间的关系[Chem. Commun. 50 (15) (2014) 1804; Nanoscale 8 (2016) 11432; Nano Res. 10 (2017) 187; Nano Res. 10 (2017) 3238].

文献链接：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)

本文由北京滚球体育 大学王荣明教授课题组供稿。

材料人网专注于跟踪材料领域滚球体育 及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域滚球体育 进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

欢迎大家到材料人宣传滚球体育 成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料测试、数据分析，上测试谷！