合金元素“梯度浓度”设计核壳结构氧还原催化剂学术资讯

来源：X一MOL资讯

氧还原反应（ORR）是质子交换膜电池（PEMFC）和金属空气电池等新能源存储与转化器件的关键半反应，其中以碳为载体的铂纳米粒子（Pt/C）因具有优异的电催化氧还原性能，被广泛用于商业催化剂。然而，由于Pt/C催化剂成本过高，同时，铂纳米颗粒在酸性体系下易发生脱落、迁移与聚集，稳定性差，限制了其在PEMFC的应用。因此，开发低成本、高活性、高稳定性的ORR电催化剂成为PEMFC发展的一个关键。
最近，吉林大学姚向东教授团队采用合金成分的梯度分布调控，实现了表面富缺陷的核壳结构催化剂的结构设计。相关论文发表在Advanced Materials 上，第一作者为沈阳理工大学吕逍副教授，澳洲格里菲斯大学贾毅研究员为共同通讯作者。作者首先在石墨烯衬底上制备了成分从表面到内部呈梯度分布的纳米Pt-Ni合金颗粒，然后采用部分去合金化的方法除去Ni制备了具有缺陷Pt表面的Pt-Ni合金核-壳纳米粒子（Pt-Ni@PtD/G）。

图1. 调控合金元素中的“梯度浓度”来制备具有“缺陷Pt保护壳层“的Pt-Ni@PtD核壳结构。
电化学测试显示，Pt-Ni@PtD/G催化剂在酸性（0.1 M HClO4）电解液中表现出良好的催化性能。Pt-Ni@PtD/G催化剂的高活性是由于表面镍的缺失，使催化剂表面暴露出更多的Pt活性位点，同时镍空位产生的Pt-Pt键长的变化使在Pt表面产生压缩应变，也有利于提高ORR性能。结合DFT理论计算分析进一步证实，Pt-Ni@PtD/G催化剂表面有缺陷的活性位点表现出较弱的OOH*结合能，其中最接近最佳活性的是Ni空位附近的Pt-Pt位。

图2. Pt-Ni@PtD/G催化剂的酸性ORR性能与活性位点解析。
更为重要的是，由于Pt原子壳层在表面作为保护性“盔甲”，可防止镍原子在长期运行过程中进一步溶解，因此该催化剂在酸性溶液中表现出优异的ORR稳定性。

图3. Pt-Ni@PtD/G催化剂的酸性ORR稳定性测试与反应前后的微观结构解析。
综上所述，该文首次采用了合金成分的梯度分布调控，实现了表面富缺陷的核壳结构催化剂的结构设计。这项工作通过缺陷工程和微观结构调控为制备高效和高耐久性的核壳电催化剂提供了一种新的设计策略。

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