image: AuPd@Pd@Pt 的形貌、结构和组分表征图。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
在燃料电池技术中，阴极氧还原反应一直是科研工作者所关注的焦点之一。由于其缓慢的动力学过程，高效催化剂的研制显得尤为重要。铂是目前氧还原催化剂最重要的组成成分之一，然而纯铂的活性和稳定性还远远不能满足商用的需求。此外，由于铂的储量少，价格昂贵，如何降低催化剂的成本对于推广燃料电池的应用显得十分关键。
由于不同金属组分间存在着电子相互作用和晶格应变效应，引入其他金属与铂结合形成合金或者核壳纳米晶不仅能有效地提高阴极氧还原反应催化剂的活性和稳定性，同时还可以大大降低铂的用量，削减成本。相较于合金结构，核壳结构由于铂全部分布于催化剂表层，不仅可以对内层非铂金属起保护作用，避免其在电化学环境中发生刻蚀，从而获得高稳定性，而且还可以提高铂的利用率，降低铂的用量。
以前的研究表明，引入钯可以显著提高铂基催化剂的活性。但是钯易被刻蚀，导致稳定性下降。引入金可以提高催化剂的稳定性，然而由于应力效应和电子耦合效应会带来活性的下降。因此，为同时获得高活性和高稳定性的氧还原催化剂，浙江大学杨德仁课题组的张辉教授和上海交通大学的邬剑波教授合作设计了一种核层为金钯合金，中间层为钯，壳层为铂的三层核壳二十面体。利用外延生长方法将壳层的铂控制在两个原子层左右。通过控制金钯前驱体的比例，可以使钯中间层的厚度在3~12个原子层可调。氧还原性能研究表明，相较于不含钯中间层的Au75Pd25@Pt，含有钯中间层的催化剂展现出了更优的活性和稳定性。其中，钯中间层厚度为6个原子层的催化剂性能最好，其初始质量活性达到了商业化铂碳催化剂的11.6倍。稳定性测试50000个循环后，其质量活性更是达到了商业化铂碳催化剂的30.2倍。该工作通过钯中间层的引入，阻止了金与铂的直接接触，提高了催化剂的活性。同时，通过钯中间层厚度的优化，调节金与铂的电子耦合作用，提高催化剂的稳定性。为设计高性能的氧还原催化剂提供了新思路。
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该项目由国家自然科学基金(51372222，51522103)，国家青年拔尖人才计划，中央高校基本科研专项资金(2015XZZX004-23) 提供支持。
更多详情请阅原文：
Qingfeng Xu, Wenlong Chen, Yucong Yan, Zhemin Wu, Yi Jiang, Junjie Li, Ting Bian, Hui Zhang, Jianbo Wu, Deren Yang. Multimetallic AuPd@Pd@Pt core-interlayer-shell icosahedral electrocatalysts for highly efficient oxygen reduction reaction, Science Bulletin, 2018, doi: 10.1016/j.scib.2018.03.013 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927318301415
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Science Bulletin