Højindeks overflade-eksponerede nanodendritter som ORR elektrokatalysator

Legering er en generel og effektiv strategi til at øge den katalytiske aktivitet af Pt-katalysatorer mod oxygenreduktionsreaktion (ORR) gennem elektroniske og geometriske effekter. Udover, højindeksoverflader (HIS'er) af Pt udviser også overlegen ORR-aktivitet, hovedsageligt stammer fra lavkoordinerede trin- eller kinkatomer. Dermed, en kombination af legeringen og HIS'erne ville være en lovende metode til at videreudvikle fremragende katalysatorer til ORR. Imidlertid, Samtidig kontrol af legeringssammensætning og HIS-eksponering i nanoskala er fortsat udfordrende.

For nylig, et forskerhold ledet af prof. Shengli Chen fra Wuhan University, Kina designede en nanodendrit Pt-Cu legering elektrokatalysator med rige tornede grene, der blotlægger n(111)x(110) HIS'er med en graderet sammensætning af PtCu ₃ @Pt ₃ Cu@Pt. Elektrokatalysatoren blev opnået gennem en atmosfære-moduleret opløsningsfasesyntese efterfulgt af elektrokemisk aflegering. Resultaterne blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Nanodendrit morfologi af PtCu ₃ legering opnås ved at kontrollere reaktionsatmosfæren, mere specifikt, ved først at anvende en oxidativ atmosfære for at danne konkave nanokuber af Pt-Cu frø, og derefter skifte til en inert atmosfære, hvorunder en eksplosiv vækst af dendrit finder sted. Når den oxidative atmosfære bevares, Pt-Cu konkave terninger fortsætter med at vokse. Hvis du i første omgang ansøger om en inert atmosfære, femdobbelte tvillinger af Pt-Cu-krystaller dannes for at minimere overfladeenergien. De femdobbelte tvillinger vokser yderligere til nanopolypoder under den inerte atmosfære, men omdannes til konkave terninger, hvis man skifter til en oxiderende atmosfære på grund af dislokationerne i de femdobbelte tvillinger. PtCu ₃ nanodendritter er omgivet af en højindeks overflade med et stort antal trin, med (111) planerne, der udviser en gitterfrynseafstand på 0,214 nm, hvilket svarer til en 5,3% gitterkrympning sammenlignet med 0,226 nm Pt (111).

Elektrokemisk aflegering, udført gennem 100 cyklusser af cyklisk voltammogram (CV) med en scanningshastighed på 500 mV s ^-1 mellem 0,06 ~ 1,3 V (vs. RHE) i O ₂ -mættet 0,1 M HClO ₄ løsning, blev brugt til at opnå HIS-katalysatorer med gradientsammensætning fra de som fremstillede Pt-Cu-nanokrystaller. En Pt-rig overflade blev opnået, mens HIS'erne bibeholdes, fører til sammensætningsgraderet PtCu ₃ @Pt ₃ Cu@Pt nanodendritter.

Den nanodendritiske struktur og lave Pt-indhold giver tilsammen en høj specifik ECSA for at forbedre Pt-udnyttelsen, og HIS'erne og gradientsammensætningen af ​​katalysatorer giver tilsammen en høj iltreduktionskatalytisk aktivitet. PtCu ₃ @Pt ₃ Cu@Pt nanodendritter udviser fremragende masse- og arealaktiviteter af Pt for ORR i 0,1 M HClO ₄ løsning, som er 15 og 24 gange højere end Pt/C, henholdsvis. DFT-beregninger afslører, at Cu-legeringer og HIS'er begge har bidraget til den betydeligt øgede aktivitet af Pt, og at iltbindingsenergien på trinstederne for HIS'er på PtCu ₃ @Pt ₃ Cu@Pt nanodendriter nærmer sig den optimale værdi for at give ORR-aktivitet nær den såkaldte vulkantop.