华科&南洋理工 Science | PtNi合金用于ORR再再再发Science!!!

——前言——

氧还原反应（ORR）是燃料电池和锌空电池的阴极发生的反应，其性能决定了燃料电池和锌空电池的性能的好坏。Pt基贵金属催化剂是 最好的氧还原催化剂，但是其高昂的价格和较差稳定性等问题亟待解决 。

共同第一作者：Xinglong Tian, Xiao Zhao, Ya-Qiong Su

通讯作者：夏宝玉 楼雄文

通讯单位：华中科技大学 南洋理工大学

——背景——

通过合金化的方法一直是减少Pt的用量，同时提高其本征活性，并维持良好稳定性的有效方法。Science上曾经就刊载过不少关于Pt合金的论文用于高效的ORR催化反应。（ 从Science看Pt基氧还原催化剂的发展 ）尽管做了很多努力，但是从大规模商用的角度来看目前已报道的Pt基催化剂的活性以及稳定性仍然不尽如人意。由于催化反应发生在催化剂的表面，因此通过调节催化剂近表面的组成性质从而使得表面暴露更多高活性位点可以进一步的提高催化活性。作者认为一个好的Pt基催化剂可以从以下几个方面进行调控：

1.  通过精细的构筑中空的结构或者多孔结构，使得更多表面得以暴露，并且能够提高传质；

2. 通过调节表面应力和表面配位情况从而来优化催化剂与ORR中间体的吸附；

3. 通过构筑一维的纳米结构，防止催化剂的团聚，既能暴露活性位点，又能阻止因催化剂堆叠带来的活性下降。

此外，可靠的测试结果不能仅仅通过旋转圆盘电极获得，而应该测试其在实际的全电池器件中的性能。

——本文亮点——

作者通过溶剂热和后期刻蚀的方法，成功的合成了一种一维的中空 串珠状 PtNi合金。表征结果显示，该合金的表面是一层Pt，体相是Pt-Ni。该催化剂表现出3.52 A mg _Pt ^-1 和5.16 mA cm _Pt ^-2 的质量活性，是商业Pt/C（60 wt. Pt%）活性的16.8倍（质量活性），且在50,000循环测试中活性下降<1.5%。作者还将催化剂组装成氢燃料电池，该器件在0.6 V的条件下能输出峰值功率为920 mW c m ^-2 和1.5 A c m ^-2 的电流密度。实验结果显示催化剂优异的性能来源于：

1. 一维中空串珠结构使得催化剂的活性位点充分暴露，且能维持良好的结构稳定性；

2. 表面配位以及应力使得其表面具有适宜的中间体吸附能。

——图文快解——

图1 Pt 1.5 Ni -BNSs的结构表征

图2 Pt1.5Ni-BNCs的结构表征（ Pt1.5Ni-BNSs 通过 Pt1.5Ni-BNSs 刻 蚀 得到）

图3 催化剂的性能测试

图4 催化剂的稳定性测试

图5 催化剂的X-ray吸收表征

图6 理论计算模拟

—— 作者简介 ——

夏宝玉

相关链接：

1. 名师志： 楼雄文教授与他的能源纳米世界