厦大Nano Lett.: 构建异质结构Pt-PbS纳米带，促进直接甲酸催化氧化

催化开天地 · 公众号 · · 2024-07-15 08:21

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在各种燃料电池中，直接甲酸燃料电池(DFAFC)以其低毒、便于储存和运输、高功率密度等优点受到广泛关注。常用的阳极甲酸氧化反应(FAOR)催化剂一般为Pd基和Pt基纳米材料。然而，Pd基材料相对较差的活性和稳定性限制了其进一步的应用。同时，纯Pt电催化剂会发生严重CO中毒，FAOR催化性能较差。异质结构工程是制备具有独特功能的先进Pt基催化剂的重要技术。同时，许多研究表明，铅(Pb)和硫(S)元素在相关催化反应中具有很大的耐有毒CO的潜力，可以限制CO中间体的形成或加速中毒中间体的氧化，增强对有毒产物的耐受性，这有助于提高Pt基催化剂的活性。

基于此， 厦门大学卜令正 和 黄小青 等合成了具有可控异质结构的二维PtPbS基纳米带：PtPb-PbS纳米带(PtPb-PbS NBs/C)、Pt-PbS纳米带(Pt-PbS NBs/C)和Pt-PbSO ₄ 纳米带(Pt-PbSO ₄ NBs/C)作为有效的FAOR催化剂。

实验结果表明，Pt-PbS NBs/C具有优良的FAOR和MEA性能，其质量活性和比活性(5.90 A mg _Pt ⁻¹ 和21.4 mA cm ⁻² )分别是PtPb-PbS NBs/C、Pt-PbSO ₄ NBs/C和商业Pt/C的2.2/1.2、1.5/1.1和36.9/79.3倍。同时，Pt-PbS NBs/C的j _DRP/IDRP 值为5.6，优于PtPb-PbS NBs/C (3.5)、Pt-PbSO ₄ NBs/C (4.4)和商业Pt/C (0.3)。此外，基于Pt-PbS NBs/C的MEA的功率密度高达183.5 mW cm ^-2 ，并可在0.4 V下连续稳定运行约25小时。

XPS和XAS结果共同表明，Pt和Pb之间存在强电子互作用，这种互作用可以调节表面电子结构，优化相关中间体的吸附能。原位FTIR表征结果表明，这种独特的异质结构组合可以促进直接反应途径(DRP)并限制CO的产生，从而提高FAOR活性和CO耐受性以及随后的MEA催化作用。

此外，通过密度泛函理论(DFT)计算，确定了FAOR CO ₂ 路径的自由能变化和CO的吸附强度，进一步揭示了活化机理，从理论上证明了Pt-PbS催化剂的抗中毒能力。综上，该项工作重点研究了合理构建Pt基催化剂的异质结构和表面组成调控技术并最终实现高FAOR和MEA催化，这为开发先进Pt基催化剂提供了重要指导。