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北京大學郭少軍課題組–PdMo雙金屬烯用于氧還原催化

通過電催化方法實現化學能與電能的有效相互轉化,則是許多可再生能源計劃的核心。氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)的緩慢動力學,長期以來一直是該領域面臨的最大挑戰之一,且通常需要采用昂貴的鉑基金屬催化劑來保證催化過程的活性和穩定性。合金化、表面應力和優化的配位環境的使用,使鉑基納米晶在酸性介質中具有很高的ORR活性;然而,在堿性環境下提高該反應活性仍然存在困難,因為在氫氧化物存在下,很難實現對鉑基金屬的最佳氧結合強度。在這里,我們證明了PdMo雙金屬烯(一種高度彎曲亞納米級厚度金屬納米片形式的鈀鉬合金)是堿性電解質中ORR和OER的高效、穩定的電催化劑,在鋅-空氣和鋰-空氣電池中展現出良好的電池性能。PdMo雙金屬烯的薄層結構可實現較大的電化學活性表面積(138.7平方米/克鈀)以及高的原子利用率;在堿性電解質中催化ORR時,相對于可逆氫電極,PdMo雙金屬烯能在0.9V電位達到16.37?A/mgPd的電流密度。該質量比活性分別是工業Pt/C和Pd/C催化劑的78倍和327倍,在30000次循環后幾乎沒有衰減。密度泛函理論計算表明,合金效應、彎曲幾何引起的應變效應和薄片厚度引起的量子尺寸效應可以調節電子結構,從而優化催化劑表面氧結合。鑒于PdMo金屬烯的性質和構效關系,我們認為其他金屬烯材料在能量電催化方面具有廣闊的應用前景

北京大學郭少軍課題組--PdMo雙金屬烯用于氧還原催化

Fig. 1:PdMo雙金屬烯的形貌、結構和組成表征。PdMo雙金屬烯的(a)低倍HAADF-STEM,(b)高倍HAADF-STEM和(c) TEM?圖。PdMo雙金屬烯的(d)AFM圖和(e)相應的高度剖面圖。(f)單片雙金屬烯納米薄片的高分辨率HAADF-STEM圖。工業Pd/C、Pd金屬烯和PdMo雙金屬烯催化劑的(h)PXRD圖譜和(i)XPS譜。

北京大學郭少軍課題組--PdMo雙金屬烯用于氧還原催化

Fig. 2:PdMo雙金屬烯/C、Pd金屬烯/C、工業催化劑Pt/C和Pd/C的電催化性能。該催化劑(相對于RHE)在0.1 M KOH中0.9 V電位下的(a)ORR極化曲線和(b)質量比活性的比較。該催化劑的(c)ECSAs?、(d)ORR極化曲線和(e)質量活度變化。

北京大學郭少軍課題組--PdMo雙金屬烯用于氧還原催化

Fig. 3:DFT計算氧吸附能和d帶中心。(a)左邊:四層PdMo雙金屬烯原子模型的側視圖。右邊:原子模型的俯視圖。(b)PdMo雙金屬烯的?EO為壓縮(負)和拉伸(正)應變的函數。水平紅線表示最優?EO值。(c)在體鈀、四層鈀板(Pd 4L)和PdMo中,表面鈀原子的d帶電子密度的預測。水平虛線表示計算出的d波段中心。

相關研究成果于2019年由北京大學郭少軍課題組,發表于Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-019-1603-7 ) 上。原文:PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis?

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