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《自然·材料》:基于单原子Pt位点的PtAu双金属纳米催化剂
更新日期:2018-09-30  

  

        第一作者:Paul N. Duchesne 

  通讯作者:张鹏 

  通讯单位:加拿大达尔豪斯大学 

  研究亮点: 

  1. 发展了一种组成精确可控的PtAu双金属纳米催化剂。 

  2. 实现了优异的甲酸电催化氧化活性,正向电流密度高达3.77 A mgPt-1 

  3 通过各种表征技术,系统研究了所制备的单原子催化剂活性来源。 

  Pt是催化领域应用最广的催化剂之一,虽然它很贵。但是,Pt并不是万能的,譬如在CO条件下,Pt催化剂很容易中毒。为了进一步增强Pt纳米催化剂的活性、选择性和寿命,并减少Pt的用量,科研工作者付出了艰辛的努力。 

  只有从原子的角度来认识纳米催化剂的几何形貌、电子效应,才能最终实现对催化活性位点的调控,指导制备出更加优异的纳米催化剂。而具有精确可控结构的双金属纳米颗粒,正是研究纳米催化反应机理的经典模型催化剂。 

  有鉴于此,加拿大达尔豪斯大学张鹏教授课题组基于组成精确可控的PtAu双金属纳米催化剂,探索了基于单原子Pt位点的PtAu双金属纳米催化剂具有优异电催化性能的本质原因。相关研究成果以“Golden single-atomic-site platinumelectrocatalysts为题发表在《自然·材料》期刊上(Nature Materials, 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0167-5)。 

  1. 制备策略示意图 

  合成方法: 

  研究人员基于已有的双金属PtAu纳米催化剂的合成方法进行改进,通过油胺和乙二醇作为溶剂,一锅法成功制备出不同Pt含量的7 nm合金催化剂,除了纯Pt和纯金纳米催化剂之外,Pt的含量在4%-96%之间可调。这为研究模型反应机理,提供了绝佳的便利。 

  更重要的是,这个合成方法摒弃了原始合成方法中的CO还原剂,而选用乙二醇作为还原剂,这样就排除了甲酸氧化过程中CO的干扰。 

  2. 合成方法和不同样品的XANESFT-EXAFS表征 

  催化性能: 

  甲酸电催化氧化测试结构表明,单纯的Au纳米颗粒没有表现出活性,而具有最低Pt含量的Pt4Au96纳米颗粒却表现出最高的活性,正向电流密度高达3.77 A mgPt-1,该数值比Pt78Au22纳米颗粒和商业Pt纳米催化剂高出2个数量级左右。 

  CV曲线在0.85VRHE左右的峰,代表CO 的吸附。不同样品之间的对比发现,活性最高的Pt4Au96纳米颗粒没有出峰,而活性最低的Pt78Au22纳米颗粒出峰最高。 

  机理研究: 

  结合FT-EXAFSXPS等结构表征和DFT理论计算表明,具有最佳电催化氧化甲酸性能的Pt4Au96纳米颗粒中,最可能的结构是Au core@AuPtAu原子周围被密堆积的单原子Pt位点包围。因此,超高活性和选择性并非简单来自于组成变化,从根本上而言,是来源于单原子Pt位点的独特结构特征和Au-Pt合金成键特征。也就是说,单原子Pt位点周围的配位环境,对其电催化活性,起到了至关重要的影响。 

  3. 电化学分析 

  

4. DFT计算COPtAu表面的吸附 

  总之,这项研究发展了一种具有超高甲酸电催化氧化性能的单原子Pt位点PtAu纳米催化剂。更重要的是,该研究为深入研究单原子催化剂的活性来源,带来了更加深入的认识。 

  (来源:纳米人 公众号 

        更多阅读:物理学家组织网报道(英文)