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《材料化学A》刊发我院李箐教授课题组研究新成果

发布时间:2020-08-03 编辑:吴秋凤 来源: 浏览次数:

近日,英国皇家化学会著名期刊 Journal of Materials Chemistry A刊发了我院李箐教授课题组最新研究成果“Ultrathin and Defect-rich Intermetallic Pd2Sn Nanosheets for Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysis”。上述论文利用种子介导法成功制备了富缺陷、结构有序的二维Pd2Sn纳米片,入选 2020 Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators 特邀专刊!

研究背景

氢氧燃料电池是一种极具应用前景的离子交换膜电池,包括质子交换膜燃料电池以及碱性阴离子交换膜膜燃料电池,这类电化学能源转换装置输出性能主要受限于阴极氧还原反应(ORR)较缓慢的反应动力学,研究高效的催化剂势在必行。目前成功商用的 ORR 催化剂为碳负载铂纳米粒子(Pt/C),但是铂元素的储量少、价格较为高昂,且这种催化剂活性、稳定性仍然难以满足人们的需求。因此,开发活性高、成本低和寿命长的催化剂,包括低铂基合金催化剂或非铂催化剂,是氢燃料电池的商用化的迫切需求。


与铂金属相比,钯(Pd)金属不仅具有更高的储量,与此同时 Pd Pt 具有类似的电子结构,因此 Pd 是一种具有前景的可替代 Pt ORR 催化剂,受到广大研究工作者的关注。得益于二维纳米结构具有更高密度的活性位点、更大的纳米晶-载体相互作用面积,目前报道的 Pd 基二维纳米晶都具有良好的催化活性。此外,结构有序的金属间化合物纳米晶,包括Pt基、Pd基金属间化合物,近年来在电催化剂领域也受到广泛的关注。得益于金属间化合物中独特有序的原子排列结构,PtPd)与过渡金属之间具有很强的相互作用和较低的结构形成能,因此相比无序合金催化剂,这种金属间化合物催化剂具有更高的催化活性以及稳定性。如果能够制备结构有序的二维 Pd 基纳米晶,结合二维结构以及金属间有序结构两者的优势,将会是一种同时提高催化剂活性以及稳定性的有效途径。


基于以上思考,华中科技大学李箐教授课题组采用了一种“种子介导法”制备了结构有序的二维 Pd2Sn 纳米片。

图 1. 使用“种子介导法”制备结构有序的二维 Pd2Sn 纳米片示意图


研究进展

1. 富缺陷、结构有序的二维 Pd2Sn 纳米片的表征

通过 TEMAFMXRD 以及 XPS 等技术对 Pd2Sn 纳米片的形貌和结构进行表征,证明成功地制备了富缺陷、结构有序的二维 Pd2Sn 纳米片。其中,纳米片的厚度约为 4 nm,可以明显观察到纳米孔道、晶界等缺陷位,Pd/Sn~2/1)均匀分布在纳米片。此外,Sn 的掺入能够对 Pd 电子结构进行调控,使得 Pd 原子的 d 带中心略有下降。

图 2.(a)Pd 纳米片的TEM图(b)Pd2Sn 纳米片的TEM图(c) Pd2Sn 纳米片的HAADF-STEM 图,(d)Pd2Sn纳米片的AFM 图(e-f)Pd2Sn纳米片的HRTEM 图。

图 3.(a-b)Pd2Sn 纳米片的元素分布以及比例,(c)Pd2Sn 纳米片的XRD 图谱,(d)Pd2Sn 纳米片的XPS 图谱。


2.电催化性能研究

由于Pd2Sn 纳米片具有独特的二维纳米结构、富缺陷结构、以及 Sn Pd 电子结构的调控能力,在 0.1 M KOH 中,Pd2Sn 纳米片表现出优异的催化阴极氧还原反应(ORR)活性。另外,Pd2Sn 纳米片还具有有序的原子排布,这能够提高 Pd-Sn 之间的相互作用,稳定晶体内部的 Sn,该有序结构以及二维纳米结构协同提高了催化剂的稳定性。

图 4.(a)氧还原极化曲线,(b)氧还原质量活性(@ 0.9ViR-free),(c-d)无序 Pd-Sn 以及有序 Pd2Sn 纳米片循环稳定性。


作者介绍


本研究采用“种子介导法”,成功制备富缺陷、结构有序的二维 Pd2Sn 纳米片。研究发现,这种种子介导法能够在纳米片相变的过程中较好的保存二维结构,同时 Pd/Sn 原子扩散、迁移的过程诱导了大量缺陷位点的形成,包括晶界、纳米孔道以及表面扭曲等缺陷。通过缺陷位点、二维纳米结构以及 Pd-Sn 合金化效应,这种 Pd2Sn 纳米片具有良好的氧还原催化性能;而其独特的有序结构和二维结构则大大提高了催化剂的循环稳定性。这项工作为催化剂的结构设计提供了新的方法和思路。

原文链接:

http://dx.doi.org/10.1039/D0TA01767A


文章来源:RSC英国皇家化学会