杨宏教授Nano Energy：强静电吸附法合成三纳米以下金属间铂-钴氧还原催化剂

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贵金属铂（Pt）仍然是目前在聚合物电解质燃料电池（PEMFCs）中应用最广泛的阴极氧还原反应（ORR）电催化剂。提高Pt基催化剂中贵金属Pt的利用效率和Pt基电催化剂的长期稳定性是降低PEMFCs成本，并满足电池寿命要求的关键。尺寸越小的纳米颗粒具有更高的比表面积，可以暴露更多的活性位点。大量的实验及及理论计算研究证明，尺寸在2到4纳米之间的Pt纳米颗粒具有更高的质量活性。但是，在酸性介质中，Pt基合金纳米颗粒由于颗粒团聚以及活性组分的腐蚀流失等造成的活性下降仍然是燃料电池实际应用中需要克服的瓶颈。相比之下，金属间化合物具有高度有序的原子排列结构，在多种催化反应中表现出了更高的抗腐蚀性。因此，开发具有最优尺寸的低铂（low-PGM）金属间化合物纳米颗粒催化剂将有可能在满足电催化氧还原反应高催化活性要求的同时，实现酸性条件下长时间的稳定性，在燃料电池阴极催化剂中有更高的实际应用价值。近日，伊利诺伊大学香槟分校杨宏教授课题组，在国际顶级期刊 Nano Energy (影响因子：16.602) 上发表题为“Strong Electrostatic Adsorption Approach to the Synthesis of Sub-three Nanometer Intermetallic Platinum-Cobalt Oxygen Reduction Catalysts”的研究工作。该工作报道了一种利用强静电吸附理论，制备小于三纳米的PtCo金属间化合物纳米颗粒作为ORR低铂电催化剂的方法。通过调节溶液的pH值，利用载体材料表面对带电粒子的强静电吸附作用，实现了对直接生长在介孔碳上的铂钴纳米颗粒的小尺寸控制。此外，纳米颗粒与载体材料表面的强附着力有效抑制了高温下纳米颗粒的团聚现象，保持了高温下有序化转变过程中的纳米颗粒的小尺寸。该研究制备的小颗粒铂钴金属间化合物纳米催化剂在电催化氧还原反应中具有高活性的同时，也表现出了酸性条件下优异的稳定性。

要点一：该工作利用强静电吸附（SEA）理论，开发了一种通过pH调节的方法，在介孔碳上合成高度分散，具有平均尺寸低于3纳米的铂钴金属间化合物纳米颗粒ORR催化剂。通过改变载体溶液的pH值，调控介孔碳载体表面的电荷浓度，利用异性电荷相互吸引出现的静电吸附现象，与介孔碳载体表面所富集电荷电性相反的带电金属络合物离子将强有力的吸附在载体表面。与传统的湿法浸渍法相比，该方法中，碳载体与金属前驱体之间的强相互作用有效地抑制了金属前驱体在吸附在载体表面之前，干燥过程中，以及后续还原过程中的团聚现象。还原气氛下生长的PtCo合金纳米颗粒的成分、尺寸以及分散度通过改变碳载体表面与带电金属离子之间的静电吸附作用得到了有效控制。

要点二：直接在碳载体表面上还原生长得到的高度分散的PtCo合金纳米颗粒凭借增强的附着力，在高温下有序化相变过程中，有效地抑制了纳米颗粒的迁移和团聚现象，保持了有序化转变前的小尺寸形貌。

要点三：实验得到的具有平均尺寸低于3纳米的L10相PtCo金属间化合物纳米颗粒在酸性条件下表现出了优异的氧还原电催化活性及稳定性。经过10000个循环伏安加速稳定性测试后，质量活性与稳定性测试前的初始性能相比仅下降了百分之三。

要点四：该研究开发的利用强静电吸附理论，制备小尺寸的PtCo金属间化合物的方法，为制备具有高活性高稳定性的低铂催化剂创造了可能。此外，该方法将同样适用于在其他载体材料上制备高度分散的小尺寸金属纳米颗粒。
文章链接：Strong Electrostatic Adsorption Approach to the Synthesis of Sub-three Nanometer Intermetallic Platinum-Cobalt Oxygen Reduction Catalystshttps://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105465

通讯作者介绍

杨宏，伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）化学工程的Alkire讲席教授。1989年获得清华大学学位，1994年获得维多利亚大学硕士学位，1998年在多伦多大学获得博士学位，之后哈佛大学进行了博士后研究。他在罗切斯特大学从教十年成为终身教授，在2012年加入UIUC。杨博士获得过加拿大NSERC博士奖，美国国家科学基金会 CAREER奖，并当选为美国科学促进协会（AAAS）院士。他是 《Science Advances》的副主编，《化学工程最新评论》的纳米专栏编辑，并在多个编辑委员会任职，包括《今日纳米》，《ChemNanoMat》，《中国科学-材料》和《能源前沿》。他的研究兴趣包括纳米晶体的形成，催化，电催化以及纳米材料在能源和可持续性领域的应用，包括低铂和非铂氧还原电催化剂的开发，电池电极材料，和二氧化碳的利用。

第一作者介绍

马艳玲，上海交通大学-伊利诺伊大学香槟分校联合培养博士研究生。2015年获得北京科技大学学士学位，同年加入上海交通大学材料科学与工程学院邬剑波及邓涛教授课题组开展研究学习，2018年在国家留学基金委的资助下，加入伊利诺伊大学香槟分校杨宏教授课题组开展为期两年的访问学习。博士期间的主要研究方向为燃料电池中高效高稳电极催化材料的研发制备，原位透射电镜表征技术在纳米材料可控制备及催化反应机理研究中的应用。

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