JACS:具有显著增强电催化活性和稳定性的新型铂钯钌碲纳米管


【引言】

直接甲醇燃料电池 (DMFC)具有潜力成为便携式和移动应用的电力转换装置。然而,Pt的高负载和高成本阻碍了其商业化运用。此外,纯Pt催化剂容易出现中间体中毒并占据活性位点,从而阻止反应物吸附。深入研究一直专注于开发催化剂Pt合金和过渡金属,改进Pt的电子结构。然而,常规合金或多相催化剂的局限性,导致催化剂活性表面积损失,甲醇氧化反应(MOR)性能不耐久。因此,开发具有稳定、活性成分高、提高MOR性能的催化剂依旧是一个有待攻克的研究方向。

【成果简介】
近日,中国科学技术大学俞书宏(通讯作者)JACS上发表了题为“Synthesis of Low Pt-Based Quaternary PtPdRuTe Nanotubes with Optimized Incorporation of Pd for Enhanced Electrocatalytic Activity”的文章,介绍优化掺入Pd的PtRuTe NTs在MOR方面取得的最新成果。研究人员利用高活性的超薄Te纳米线(NW)作为牺牲剂,电镀合成低Pt和形貌可控的PtPdRuTe NTs。将Pd优化掺入三元PtRuTe NTs中形成均匀的保护PtPd表面,从而改善MOR性能。X射线光电子能谱(XPS)显示在PtPdRuTe上从邻近原子到Pt的电子迁移的程度更大,诠释相邻原子到Pt电子的传递,从而导致中间体在Pt上的较弱的键合。结果,四元PtPdRuTe NTs对于有效的MOR显示出增强的活性和稳定性。

【图文导读】

图1: 样品的组成及XRD图


(a)新制备的PtPdRuTe和PtRuTe NT的组分比变化;

(b)Pt34Ru25Te41和Pt17Pd16Ru22Te45NT的XRD图。

图2: PtPdRuTe NTs材料的形貌表征和元素分布


(a)PtPdRuTe NTs的HAADF/STEM图;

(b,c)Pt17Pd16Ru22Te45NTs的HRTEM图像;

(d-h)EDS图谱分析显示元素Pt,Pd,Ru和Te均匀分布。

图3:不同组成PtPdRuTe NTs的形貌表征


(a-c)Pt7Pd35Ru21Te37NTs的TEM和HRTEM图像;

(d-f)Pt10Pd27Ru23Te40的TEM和HRTEM图像;

(g-i)Pt26Pd12Ru23Te39的TEM和HRTEM图像;

(j-l)Pt34Ru25Te41NT的TEM和HRTEM图像。

图4: PtPdRuTe NTs材料的电催化活性和耐久性


(a)50mV s-1扫描速率下,在0.5M 硫酸+1.0M甲醇溶液中测试MOR性能,PtPdRuTe NT,PtRuTe NT和Pt/C催化剂的CV曲线;

(b)PtPdRuTe,PtRuTe和Pt/C催化剂的质量活度分别归一化为PtPd和Pt的负载质量;

(c)Pt17Pd16Ru22Te45NT和Pt/C催化剂在0.5V电压下MOR性能的计时控制图;

(d)Pt17Pd16Ru22Te45NTs在1000个循环前后的CV曲线。

图5: PtPdRuTe NTs材料物种分析——XPS表征图谱


(a)Pt17Pd16Ru22Te45,Pt34Ru25Te41,Pt52Te48和Pt/C催化剂的Pt 4f轨道的XPS光谱;

(b)Pt17Pd16Ru22Te45,Pt27Pd22Te51和Pd51Te49催化剂的Pd 3d轨道的XPS光谱。

【小结】
具有不同组成的均匀的四元PtPdRuTe NT可以通过形状控制合成方法成功合成。与Pt相比,Pd前体的较高的还原电位和较高的摩尔体积允许形成致密且均匀的PtPd表面,通过上移Pt的溶解电位来减少Pt氧化并提高组合物的稳定性。得出了组成变化与结构的关系。同时,可以通过加入不同量的Pd前体调整壁厚,随着Pd的添加量增加,杂原子相互作用增强并更大程度将电子传递到PtPd表面,从而促进表面反应性和稳定性。因此,获得三元和四元纳米催化剂的杂原子相互作用是十分必要的。

文献链接:Ma, S. Y., Li, H. H., Hu, B. C., Cheng, X., Fu, Q. Q., & Yu, S. H. (2017). Synthesis of Low Pt-based Quaternary PtPdRuTe Nanotubes with Optimized Incorporation of Pd for Enhanced Electrocatalytic Activity.Journal of the American Chemical Society.

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