通过调控晶体结构提高氧气还原反应电催化活性:MPt金属间相纳米晶

doi:10.1016/S1872-2067(17)62989-9

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (4): 583-589.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62989-9

通过调控晶体结构提高氧气还原反应电催化活性:MPt金属间相纳米晶

梁嘉顺, 苗政培, 马峰, 潘然, 陈仙, 王谭源, 谢欢, 李箐

华中科技大学材料科学与工程学院, 湖北武汉 430074

收稿日期:2017-11-29 修回日期:2017-12-23 出版日期:2018-04-18 发布日期:2018-04-08
通讯作者: 李箐
基金资助:
国家"千人计划"；国家自然科学基金（21603078）；国家重点研发计划"材料基因工程关键技术与支撑平台"专项（2016YFB0700600）.

Enhancing oxygen reduction electrocatalysis through tuning crystal structure: Influence of intermetallic MPt nanocrystals

Jiashun Liang, Zhengpei Miao, Feng Ma, Ran Pan, Xian Chen, Tanyuan Wang, Huan Xie, Qing Li

School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China

Received:2017-11-29 Revised:2017-12-23 Online:2018-04-18 Published:2018-04-08
Contact: 10.1016/S1872-2067(17)62989-9
Supported by:
This work was supported by the National 1000 Young Talents Program of China, the National Natural Science Foundation of China (21603078), and National Materials Genome Project (2016YFB0700600).

摘要/Abstract

摘要：

燃料电池的正极主要发生氧还原反应（ORR），但是该反应的动力学速率较慢，需要催化剂来降低反应的过电势.目前商用的催化剂是碳载铂纳米粒子催化剂，但是铂高昂的价格严重阻碍了燃料电池的大规模商业化.近年来的理论和实验研究表明，过渡金属（M）与铂（Pt）形成的纳米晶合金（MPt）能够作为有效的ORR催化剂，同时由于引入价格低廉的过渡金属，催化剂成本有所降低.然而，即使合金化的催化剂具有良好的初始催化性能，但是在燃料电池的实际操作环境，即高电压、高温和酸性条件，长时间运行之后，过渡金属很容易被腐蚀流失，从而留下表面配位数较低的铂原子，而这些铂原子对ORR反应几乎没有催化作用，导致催化剂逐渐失活，燃料电池的输出功率逐渐降低.最近一些研究表明，铂基催化剂在一定条件下，例如加热，能够发生固态相变，形成结构有序的即金属间纳米晶（iNCs）.与无序排列的合金相比，这种有序的MPt能够调控表面铂原子与含氧中间体的结合能，可以进一步提高ORR活性；同时，由于在金属间纳米晶中铂原子与过渡金属原子具有很强的相互作用，过渡金属在酸性溶液中也不容易被腐蚀，从而大大提高了催化剂的稳定性.
本综述以FePt，CoPt和PbPt为例，总结了它们的相变规律和条件，同时关注它们的合成-结构-性能的构效关系，突出金属间结构在提高活性和稳定性方面的优势.最后，为了进一步提高MPt金属间纳米晶的活性，我们提出一些可能的方向和观点，包括：（1）在实现无序-相变的同时实现形貌调控来提高催化剂活性；（2）关注尺寸效应，尽可能减小MPt金属间纳米晶的尺寸，提高铂的利用率，从而提高催化剂活性；（3）关注材料的有序程度，尽可能提高材料的有序度，充分发挥金属间纳米晶对于氧还原反应的优势.

关键词: 电催化, 氧气还原反应, 纳米晶, 金属间相, 合金

Abstract:

The slow kinetics of oxygen reduction reaction (ORR) occurring at the cathode of a proton exchange membrane fuel cell require the presence of an electrocatalyst to reduce overpotential. MPt alloy nanocrystals (NCs) have been investigated over the last decade as efficient catalysts for ORR and recent studies have shown that structurally-ordered MPt NCs, i.e., intermetallic NCs (iNCs), are more active and exhibit enhanced stability compared with the corresponding randomly alloyed analogues. This mini-review highlights the recent progress in iNC catalyst development for ORR with emphasis on correlating the synthesis-structure-activity relationship. Perspectives and possible research directions to enhance MPt iNC catalytic performance are also proposed.

Key words: Electrocatalysis, Oxygen reduction reaction, Nanocrystal, Intermetallics, Alloy

梁嘉顺, 苗政培, 马峰, 潘然, 陈仙, 王谭源, 谢欢, 李箐. 通过调控晶体结构提高氧气还原反应电催化活性:MPt金属间相纳米晶[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 583-589.

Jiashun Liang, Zhengpei Miao, Feng Ma, Ran Pan, Xian Chen, Tanyuan Wang, Huan Xie, Qing Li. Enhancing oxygen reduction electrocatalysis through tuning crystal structure: Influence of intermetallic MPt nanocrystals[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 583-589.

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通过调控晶体结构提高氧气还原反应电催化活性:MPt金属间相纳米晶

Enhancing oxygen reduction electrocatalysis through tuning crystal structure: Influence of intermetallic MPt nanocrystals

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