海南大学田新龙Carbon Energy:一维中空PtFe纳米链用于高效氧还原反应

One-dimensional PtFe hollow nanochains for the efficient oxygen reduction reaction

Peng Rao, Junming Luo*, Jing Li, Wei Huang, Wei Sun, Qi Chen, Chunman Jia, Zhongxin Liu, Peilin Deng*, Yijun Shen, Xinlong Tian*

Carbon Energy.

DOI:10.1002/cey2.192

研究背景

锌空气电池（ZAB）作为一种清洁高效的能源转换装置，被认为是解决目前我们所面临的全球环境污染和能源短缺问题的理想选择之一。然而，锌空气电池的性能受到了其缓慢的阴极氧还原反应（ORR）动力学的制约，难以达到其理论能量密度。目前最受欢迎的商业Pt/C催化剂又受到Pt资源短缺、价格高昂、稳定性差、易受毒化等难题的困扰。研制高活性和高耐久性的氧还原催化剂仍亟待突破。

近些年来的研究表明，通过将非贵金属和铂金属合金，不仅可以有效降低铂材料的使用量进而降低催化剂高昂的价格，还可以通过合金化诱导应力与配体效应优化含氧物种在Pt表面的吸附能，提升Pt合金催化剂的ORR活性。另一方面，对催化剂的结构调控来提升催化剂的稳定性也被广泛报道。相对于零维结构，一维纳米结构由于其固有的各向异性、更高的柔性和导电性而表现出更高的稳定性。一维纳米结构的各向异性使其与载体（通常为碳载体）有更大的接触面积，从而具有更高的稳定性。

基于此，海南大学田新龙教授团队提出了采用简单高效的一锅法制备一维中空纳米链状PtFe材料（PtFe/HNC）作为高效氧还原催化剂。所制备的PtFe/HNC催化剂表现出了远优于商业Pt/C催化剂的氧还原活性和稳定性。该成果以“One-dimensional PtFe hollow nanochains for the efficient oxygen reduction reaction”为题发表在Carbon Energy上。

本文亮点

1. 开发了一种简单高效的一锅法合成一维中空PtFe纳米链催化剂。

2. PtFe催化剂呈现典型的一维链状结构，对氧还原表现出高活性和稳定性。

3. Pt和Fe之间应变和配体效应被证实是优异氧还原活性的来源，而优异的稳定性则主要归因于所制备的一维中空纳米链结构。

图文解析

1. 通过简单的一锅法制备了典型的一维中空纳米链结构的PtFe（PtFe/HNC）材料。利用TEM/HRTEM对材料的形貌进行了表征，证实了一维中空纳米链结构且元素元素分布均匀，纳米链的壁厚大约是5nm。

图1 PtFe/HNC的合成示意图和TEM/HRTEM图。

2. 通过同步辐射表征数据证实了Pt和Fe间的应力应变效应。Pt-Pt键长产生了明显的压缩效应，而相对应的Fe-O键则出现了拉伸效应。

图2 PtFe/HNC的同步辐射数据。

3. PtFe/HNC具有最佳的氧还原活性和强大的稳定性。同时，当作为锌空气阴极材料时，所组装的电池展现出了优异的电池性能。

图 3 PtFe/HNC的氧还原活性和所组装的锌空气电池性能。

总结

综上所述，本研究发展了一种简便高效的一锅法策略来制备一维PtFe中空纳米链催化剂。所制备的PtFe-HNC催化剂不仅在碱性电解质中表现出优异的ORR活性和稳定性，在锌空气电池测试同样表现出了优异的电池性能。优异的活性和稳定性可归因于PtFe合金的配体效应和应变效应，以及独特的一维中空纳米链结构。PtFe-HNC的设计可为Pt合金纳米结构的合理设计以及催化剂在能量转换装置中的实际应用带来希望。

田新龙

田新龙，海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室教授、博士生导师；中国化工学会储能工程专业委员会委员、海南省电化学储能与能量转换重点实验室副主任、海南省“领军人才”；担任Scientific Reports编委，Carbon Energy, Advanced Powder Materials、Rare Metals和Chinese Journal of Structural Chemistry青年编委，储能科学与技术杂志“氢能与燃料电池”专刊特邀主编。2016年于华南理工大学获得工学博士学位，随后于华中科技大学从事博士后研究工作；2019年3月加入海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室，担任“海洋清洁能源”创新团队负责人。当前主要研究方向为新能源材料和纳米材料功能化设计，应用于电催化、光/电解海水制氢、氢燃料电池和可燃冰转化。在国际顶级期刊Science, J. Am. Chem. Soc., Joule等杂志发表SCI论文100余篇，先后主持国家级和省部级基金11项，授权国家发明专利1项，美国发明专利1项。

饶鹏

饶鹏，男，海南大学化学工程与技术学院2020级博士研究生。目前主要从事纳米结构功能化材料在电化学、电催化和能量转换和储存装置中的应用研究。以第一作者发表SCI论文10篇，影响因子大于10论文4篇，影响因子大于20论文1篇，中科院1区TOP论文7篇，多篇论文发表eScience，Carbon Energy，Cell Rep. Pyhs. Sci.，J. Mater. Chem. A（封面论文），Chem. Eng. J.等国际能源与环境权威期刊，授权国家发明专利2项。

相关论文信息

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论文标题：

One-dimensional PtFe hollow nanochains for the efficient oxygen reduction reaction

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.192

DOI:10.1002/cey2.192

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