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CCS Chemistry | 纳米糖葫芦，高效电催化

2020-03-04 10:50

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

香港城市大学张华教授（原新加坡南洋理工大学）课题组和中科院物理研究所谷林研究员课题组合作，以超细金纳米线为模板，通过湿化学法制备出富含缺陷结构的糖葫芦状金铂镍合金纳米材料，在酸性条件下的电催化甲醇和乙醇氧化反应中展现出优于商业铂碳催化剂的催化活性和稳定性。

深入研究贵金属纳米材料的结构和催化性能之间的构效关系和作用机理已成为当今纳米材料领域的热点和难点。精准调控多金属纳米结构的空间组成、形貌、表面结构和晶相等有助于发掘其一些新奇的物理化学性质并拓展其应用领域。目前，研究者已发展了多种合成方法以有效调控多金属纳米结构的尺寸、形貌、组分和晶相等，例如，种子介导生长法、元素偏析法和一锅法等。然而，进一步开发一种简易、低成本的湿化学方法以实现新型贵金属纳米材料的大规模合成仍具有极大的挑战。

作为一种精准调控合金材料结构的有效手段，缺陷工程策略可被应用于原子尺度调控多元贵金属纳米材料的结构和组成，从而大幅度提升其催化活性和原子利用效率。香港城市大学张华教授课题组和中科院物理研究所谷林研究员课题组合作，利用超细金纳米线为模板，通过湿化学法制备出了富含缺陷结构的糖葫芦状金铂镍合金纳米结构。这种具有高密度缺陷的金铂镍合金纳米结构的平均直径为7.2 ± 1.0 nm，并具有丰富的孪晶、位错、台阶原子等晶体缺陷（图1）。

图1

值得关注的是，由于其多组分的协同效应、较大的比较面积以及较高的缺陷密度等结构特性，该合金纳米结构在酸性条件下的电催化甲醇和乙醇氧化反应中的催化活性和稳定性均优于商业铂碳催化剂（图2）。在甲醇氧化反应中，金铂镍合金纳米结构展现出比活性和质量活性分别为1.96 mA cm-2和996.3 mA mgPt-1，分别是商业铂碳催化剂的3.3倍和3.1倍（图2a,b）。此外，经过长达3000秒的电化学稳定性测试，反应电流值仍然可以保持在原始反应电流值的20%以上（图2c）。在乙醇氧化反应中，金铂镍合金纳米结构也展现出优秀的比活性（1.56 mA cm-2）和质量活性（794.0 mA mgPt-1），分别是商业铂碳催化剂的2.5倍和2.4倍（图2d,e）。经过3000秒的电化学稳定性测试之后，反应电流值依然可以维持在原始电流值的40%以上（图2f）。

图2

综上所述，该研究工作提供了一种简单高效的湿化学法合成具有高密度缺陷的多组分金铂镍合金纳米材料。通过精确调控多组分贵金属纳米结构的缺陷，有助于从原子和分子尺度上深入理解贵金属纳米材料的结构和催化性能之间的构效关系和催化机理，对多金属纳米材料的合成及其在电化学领域的广阔应用前景提供了新的研究思路。该工作以Communication的形式发表在CCS Chemistry 2020年第一期。

文章详情：

Defect-Rich, Candied Haws-Shaped AuPtNi Alloy Nanostructures for Highly Efficient Electrocatalysis

Xiaoya Cui , Zhicheng Zhang , Yue Gong , Faisal Saleem , Bo Chen , Yonghua Du , Zhuangchai Lai , Nailiang Yang , Bing Li , Lin Gu & Hua Zhang

DOI: 10.31635/ccschem.020.201900031

Citation: CCS Chem. 2020, 2, 24–30