Højtydende multimetalliske kerne-mellemlag-shell-icosahedrale elektrokatalysatorer til ORR

Protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er) betragtes generelt som en ren og bæredygtig energiomdannelsesteknologi, der erstatter stadig mere knappe fossile brændstoffer på grund af den høje energiomsætningseffektivitet, høj energitæthed, og lav eller nul forurenende emission. Klart, platin (Pt) er en nøglekomponent i de state-of-the-art elektrokatalysatorer til oxygenreduktionsreaktionen (ORR) på katoderne, hvilket er en afgørende halv reaktion for at øge ydelsen af ​​denne brændselscelleteknologi. Imidlertid, den langsomme reaktionskinetik af ORR kræver ofte en relativt høj belastning af Pt for at opnå en ønskelig brændselscelleydelse i de praktiske anvendelser, som er stærkt begrænset af de høje omkostninger og mangel på Pt.

Som sådan, forskere har gjort en enorm indsats for at udvikle aktive, stabil, og økonomiske Pt-baserede katalysatorer mod ORR i løbet af det sidste årti. At inkorporere Pt med mindre ædle og/eller billige metaller til dannelse af legering/kerne-skal-katalysatorer betragtes som en lovende strategi til væsentligt at forbedre de katalytiske egenskaber mod ORR i brændselsceller på grund af elektronkobling og belastningseffekt mellem forskellige metaller. Sammenlignet med Pt-baserede legeringselektrokatalysatorer, sådanne kerneskal-elektrokatalysatorer undgår ikke kun udvaskning eller opløsning af ikke-Pt-metallet for at forbedre stabiliteten, men også gøre fuld brug af hvert Pt -atom og dermed reducere omkostningerne ved katalysatorer.

Ifølge det velkendte vulkanplot for ORR-aktivitet, Pd er sandsynligvis det bedste kernemateriale til dannelse af Pt-baserede kerne-skal elektrokatalysatorer på grund af den passende elektronkobling og synergetiske effekt mellem dem. Imidlertid, stabiliteten af ​​sådanne Pd@Pt-kerneskal-katalysatorer kan ikke opfylde kravet om kommercialisering på grund af den selektive opløsning af Pd-atomer fra kernerne under cyklussen. Tilsætning af stabiliserende elementer (f.eks. Au) i Pt-baserede nanokrystaller har vist sig at beskytte aktive komponenter (f.eks. Pt og Pd) i katalysatorerne fra opløsning ved potentiel cykling ved at forskyde deres opløsningspotentiale, og derved garanterer fremragende langsigtet stabilitet. Imidlertid, disse Au@Pt core-shell elektrokatalysatorer lider af fald i ORR-aktivitet på grund af den inducerede ekspansive stamme i Pt-skaller, der stammer fra den større gitterkonstant og større atomstørrelse af Au end Pt i kombination med den negative elektroniske kobling mellem dem.

For nylig, Prof. Zhang i forskerholdet ledet af Prof. Deren Yang fra Zhejiang University samarbejdede med Prof. Wu fra Shanghai Jiao Tong University udviklede en let tilgang til syntetisering af icosahedral AuPd@Pt nanokatalysatorer bestående af ultratynde Pt -skind, Au-Pd-legeringskerner og Pd-mellemlag med variabel tykkelse. Ultratynde Pt-skind med to atomlag blev epitaksialt belagt på som fremstillede icosahedral Au-Pd-frø. Kontrol af tykkelsen af ​​Pd -mellemlag i et område på 3 ~ 12 atomlag blev realiseret ved at justere fodermolforholdet mellem Au- og Pd -elementer. AuPd@Pd@Pt icosahedra med Pd -mellemlag, især Au60Pd40@Pt elektrokatalysatorer med omkring seks atomlag, udviste bemærkelsesværdigt forbedrede aktiviteter og holdbarhed over for ORR i sure omgivelser sammenlignet med kommercielle Pt/C og Au75Pd25@Pt icosahedra uden Pd -mellemlag. De tre-lags kerne-mellemlag-nanostrukturer med icosahedrale former optimerer yderligere den elektroniske struktur af ædelmetalatomer til ORR-katalyse og maksimerer udnyttelsen af ​​Pt på basis af andre kerneskal-nanokatalysatorer. Dette arbejde kaster lys over Pd-mellemlagets nøgleroller i højtydende Core-shell Au-Pd-Pt ORR-katalysatorer og giver en ny strategi for elektrokatalysatordesign, som sikrer høj aktivitet og holdbarhed samtidigt.