华中科技大学王得丽教授ACS Catal：(Pt0.9Pd0.1)3Fe有序金属间化合物电催化剂应用于碱性氢氧化反应

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

燃料电池的成本问题一直是制约其发展的主要瓶颈之一。对于目前研究热门的质子交换膜燃料电池（PEMFC），其主要受限于Pt原子经济性的提升。随着碱性膜（AEM）技术的一系列突破性进展，阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）逐渐受到研究人员的关注。其最大的优势在于能够使用非贵金属作为阴极氧还原反应（ORR）催化剂，有望降低燃料电池的成本问题。但是，碱性介质中缓慢的阳极氢氧化（HOR）动力学却成为AEMFC进一步发展的新障碍。目前，Pt仍是最优的单金属碱性HOR催化剂，但是仍和酸性介质中差2个数量级。将Pt与Ru、Ni和Nb等金属进行合金化处理能够提升其催化活性，但是很遗憾，其催化稳定性通常被忽视并且对于催化剂的性能评估同样很重要。

近日，华中科技大学王得丽教授（点击查看介绍）团队提出一种构建三元(Pt_0.9Pd_0.1)₃Fe有序金属间化合物的策略用于兼顾提升碱性HOR催化活性和稳定性。

物理结构表征证实，部分Pd取代Pt能够促进L1₂ Pt-Fe有序结构在更低的退火温度下形成，有效缓解了由于高温退火导致的颗粒团聚现象，保证了催化剂具有较小的颗粒尺寸（~3.9 nm）。同时，Pd的引入还促使电化学循环中产生的H原子自发进入Pd的晶格。因此，产生的PdH_x配体效应拓宽了催化剂的d带电子结构，使得d带中心远离Fermi能级，有利于反应中间体H_ad的脱附。同时，原位形成的Fe(OH)_x物种加速了催化剂表面对于OH_ad的吸附，加速了碱性氢氧化反应的进行。更重要的是，非原位的CO-stripping测试证实了(Pt_0.9Pd_0.1)₃Fe有序金属间化合物在电化学活性面积衰减率方面具有明显优于Pt₃Fe无序合金的催化稳定性。这是由于有序(Pt_0.9Pd_0.1)₃Fe金属间化合物中，Fe原子周围的Pt/Pd原子局部配位环境使得形成的Fe/Fe(OH)_x异质结构能够在催化反应过程中稳定保持，减缓了在形成Fe(OH)_x物种的同时，由于Fe-Fe之间的相互作用导致大幅度降低催化剂电化学活性面积的结果。

该研究强调了有序金属间化合物在碱性氢氧化反应中的应用前景，对于后续高活性、高稳定性的催化剂设计具有指导意义。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Self-Optimized Ligand Effect in L1₂-PtPdFe Intermetallic for Efficient and Stable Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction

Tonghui Zhao†, Guangjin Wang†, Mingxing Gong, Dongdong Xiao, Yi Chen, Tao Shen, Yun Lu, Jian Zhang, Huolin Xin, Qing Li, Deli Wang*

ACS Catal., 2020, 10, 15207-15216, DOI: 10.1021/acscatal.0c03938

通讯作者介绍

王得丽，华中科技大学教授/博导。2008年7月博士毕业于武汉大学，博士毕业后先后在新加坡南洋理工大学燃料电池研究中心和在美国康奈尔大学能源材料研究中心做博士后研究工作，2013年初入职华中科技大学。多年来一直从事燃料电池电极催化剂以及锂电池电极材料的设计以及性能优化方面的研究。近五年来，在Nat. Mater.， Nat. Commun.， JACS， Nano Lett. 国内外知名学术期刊上发表论文100余篇，获得美国授权发明专利2项，中国发明专利6项，担任《Nano Materials Science》、《Energy&Fuels》、《J.Phys Energy》、《储能科学与技术》杂志编委，《Chinese Chemical Letter》青年编委以及加拿大国际电化学能源科学研究院青年委员。

课题组隶属于华中科技大学能量转换与存储材料化学教育部重点实验室。

王得丽

https://www.x-mol.com/university/faculty/10725

课题组主页：

http://deli.chem.hust.edu.cn/

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们团队一直致力于开发金属间化合物纳米材料在多种催化反应中的应用。目前，对于Pt基碱性氢氧催化剂的研究还未见有序金属间化合物的相关报道，并且Pt在碱性介质中的稳定性不同乐观。针对这一问题，我们提出构建有序金属间化合物的策略，用于兼顾提升其催化活性和稳定性。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：碱性氢氧化反应对于催化剂的颗粒尺寸要求较高，这一点和有序金属间化合物的形成需要高温退火处理明显相悖。因此，如何在保证形成有序结构的同时又兼顾较小的催化剂纳米颗粒成为了研究中的主要挑战。在探究过程中，我们团队在金属间化合物可控制备的经验积累起到了关键的作用。通过第三种元素Pd的引入，成功实现了在更低的退火温度下形成了有序的金属间化合物结构。在此，要特别感谢美国加州大学尔湾分校的Huolin Xin教授课题组成员在电镜测试方面的支持。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？

A：我们提出的引入外来元素降低形成有序结构温度的策略，有望被应用于对催化剂粒径要求较高的别类金属间化合物纳米催化剂的制备，在材料设计方面具有指导意义。此外，本研究中重点指出的关注催化剂在催化反应中的实时结构转变对于构效关系以及催化机理的探究具有重要意义。