JACS内封面：Pt簇/MXene界面助力甲醇高效稳定电氧化

甲醇电氧化（methanol oxidation reaction, MOR）是直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cells, DMFC）中的关键反应，目前MOR最有效的电催化剂为Pt基催化剂，但是由于MOR过程中涉及到CO中间体的产生，导致Pt的活性位点很容易被毒化，无法进一步转化甲醇分子，因此其活性往往在短时间内大幅衰减。许多研究学者致力于构建Pt基合金催化剂，调控其组分或优化其形貌结构，或引入具有水分解能力的第二组分，提供羟基供给*CO，促进*CO的氧化脱附，使Pt的活性位点能够再次吸附甲醇分子。然而合金催化剂对金属的利用率并不高，而水分解提供的羟基只能提供给最近邻的Pt位点，对稳定性的提升程度十分有限，因此需要设计利用率更高且抗CO毒化能力更强的Pt基催化剂。

对此，武汉理工大学麦立强教授团队联合新西兰奥克兰大学王子运教授团队创新性地提出了通过构建催化剂局部高OH^–浓度促进CO的氧化从而提升稳定性。通过喷雾干燥法在三维Ti₃C₂T_x“纸团”上负载超细Pt团簇，利用电荷转移产生的Ti₃C₂T_x局部电场提升Pt团簇的局部OH^–浓度，极大地促进了Pt位点上*CO的氧化，因此大幅提高了其稳定性。

图1. Ptc/Ti₃C₂T_x的形貌物相表征。

图2. Ptc/Ti₃C₂T_x和相关对比样的X射线吸收谱分析。

图3. Ptc/Ti₃C₂T_x和相关对比样的甲醇电氧化测试。

图4. 原位红外光谱、Zeta电位、CO剥离实验和理论计算。

图5. Ptc/Ti₃C₂T_x和Pt/C上MOR反应机理图。

作者利用喷雾干燥在三维Ti₃C₂T_x“纸团”上负载超细Pt团簇，通过各种物相结构表征确定了Pt团簇的状态，MOR测试发现Ptc/Ti₃C₂T_x表现出目前最为优异的质量比活性和稳定性。使用原位红外光谱探究催化剂局部离子和反应物的变化，结果表明Ptc/Ti₃C₂T_x优先消耗Pt团簇周围的OH^–，而Pt/C消耗的OH^–来源于电解液中的扩散OH^–，说明Ptc/Ti₃C₂T_x的Pt团簇周围存在较高浓度的OH^–。理论计算发现Pt团簇对OH^–的吸附能力更强，且Pt团簇和Ti₃C₂T_x基底之间存在电荷转移，使Ti₃C₂T_x处于富电子状态，产生的表面电场对OH^–具有排斥作用，使OH^–聚集于Pt团簇附近，提高了*CO的转化率。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是武汉理工大学大学博士研究生朱杰鑫。

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Ultrahigh Stable Methanol Oxidation Enabled by a High Hydroxyl Concentration on Pt Clusters/MXene Interfaces

Jiexin Zhu, Lixue Xia, Ruohan Yu, Ruihu Lu, Jiantao Li, Ruhan He, Yucai Wu, Wei Zhang, Xufeng Hong, Wei Chen, Yan Zhao, Liang Zhou, Liqiang Mai*, and Ziyun Wang*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c03982

通讯作者简介

麦立强 教授，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。2014年获国家杰出青年科学基金资助，2016年入选教育部长江学者特聘教授和国家“万人计划”领军人才。

主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。在Nature（1篇）、Nature、Science及Cell子刊（18篇）等期刊发表SCI论文400余篇；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要国际会议10余次。主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、何梁何利基金科学与技术创新奖（青年奖）、科睿唯安全球高被引科学家、教育部自然科学一等奖（第一完成人）、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖（第一完成人）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现任国际期刊Journal of Energy Storage副主编，Advanced Materials、Chemical Reviews客座编辑，National Science Review学科编辑，Interdisciplinary Materials学术编辑，Accounts of Chemical Research、Joule、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials、Small国际编委，Nano Research、Science China Materials、eScience和《功能材料》编委。

https://www.x-mol.com/university/faculty/26717 

王子运 博士，新西兰奥克兰大学Lecturer（相当于美国助理教授）。2015年博士毕业于英国女王大学，师从胡培君教授。先后在斯坦福大学（合作导师 Jens K. Nørskov教授）和多伦多大学（合作导师Edward H. Sargent教授）从事博士后研究，主要研究方向包括二氧化碳电还原的理论计算、人工智能辅助多相催化设计和表面微动力学。王子运博士以通讯作者或（共同）第一作者发表文章32篇，其中Nature 1篇，Nature Catalysis 3篇，Nature Energy 1篇，Nature Communications 3篇， JACS 5篇，Advanced Science 1篇。王子运课题组目前有博士全额奖学金和博士后机会，欢迎对计算化学和电催化感兴趣的同学联系ziyun.wang@auckland.ac.nz 。奥克兰大学在2023年QS排行榜排名世界第87，是新西兰排名第一科研实力最强的大学。