关于种子介导有序化的研究与探索

来源：RSC英国皇家化学会

引言

以氢氧为燃料的离子交换膜燃料电池，包括质子交换膜燃料电池以及碱性阴离子交换膜膜燃料电池，是一类极具应用前景的电化学能源转换装置。氢燃料电池的输出性能主要受限于阴极氧还原反应（ORR）较缓慢的反应动力学，目前成功商用的 ORR 催化剂为碳负载铂纳米粒子（Pt/C），然而铂元素的储量有限、价格较为高昂，而且其活性、稳定性仍然难以满足人们的需求。因此，开发高活性、低成本和长寿命的催化剂，包括低铂基合金催化剂或非铂催化剂，对于氢燃料电池的商用化具有十分重要的意义。

相比铂金属，钯（Pd）具有更高的储量，同时 Pd 与 Pt 具有类似的电子结构，因此是一种具有前景的替代 Pt 的 ORR 催化剂，受到广大研究工作者的关注。得益于二维纳米结构具有更高密度的活性位点、更大的纳米晶-载体相互作用面积，目前报道的 Pd 基二维纳米晶都具有良好的催化活性。此外，结构有序的金属间化合物纳米晶，包括Pt基、Pd基金属间化合物，近年来在电催化剂领域也受到广泛的关注。得益于金属间化合物中独特有序的原子排列结构，Pt（Pd）与过渡金属之间具有很强的相互作用和较低的结构形成能，因此相比无序合金催化剂，这种金属间化合物催化剂具有更高的催化活性以及稳定性。如果能够制备结构有序的二维 Pd 基纳米晶，结合二维结构以及金属间有序结构两者的优势，将会是一种同时提高催化剂活性以及稳定性的有效途径。

基于以上思考，华中科技大学李箐教授课题组采用了一种“种子介导法”制备了结构有序的二维 Pd2Sn 纳米片。研究发现，这种“种子介导法”能够在纳米片相变的过程中较好的保存二维结构，同时 Pd/Sn 原子扩散、迁移的过程诱导了大量缺陷位点的形成，包括晶界、纳米孔道以及表面扭曲等缺陷。得益于二维 Pd2Sn 纳米片的大量缺陷、有序结构以及 Sn 对 Pd 电子结构的调控，该催化剂在 0.1 M KOH 中表现出优异的 ORR 活性以及稳定性。
 

文章解读

1. 富缺陷、结构有序的二维 Pd2Sn 纳米片的表征

通过 TEM、AFM，XRD 以及 XPS 等技术对 Pd2Sn 纳米片的形貌和结构进行表征，证明成功地制备了富缺陷、结构有序的二维 Pd2Sn 纳米片。其中，纳米片的厚度约为 4 nm，纳米孔道、晶界等缺陷位可以明显观察到，Pd/Sn（~2/1）均匀分布在纳米片。此外，Sn 的掺入能够对 Pd 电子结构进行调控，即 Pd 原子的 d 带中心略有下降。

2．电催化性能研究

得益于 Pd2Sn 纳米片独特的富缺陷结构、二维纳米结构以及 Sn 对 Pd 电子结构的调控，在 0.1 M KOH 中，Pd2Sn 纳米片表现出优异的 ORR 活性。另外，其有序的原子排布能够提高 Pd-Sn 之间的相互作用，稳定晶体内部的 Sn，该有序结构以及二维纳米结构协同提高了催化剂的稳定性。

文章总结

本研究采用“种子介导法”，成功制备了富缺陷、结构有序的二维 Pd2Sn 纳米片。通过缺陷位点、二维纳米结构以及 Pd-Sn 合金化效应，这种 Pd2Sn 纳米片具有良好的氧还原催化性能；而独特的有序结构和二维结构则大大提高了催化剂的循环稳定性。这项工作为催化剂的结构设计提供了新的方法和思路。

论文信息

Ultrathin and Defect-rich Intermetallic Pd2Sn Nanosheets for Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysis
Jiashun Liang, Shenzhou Li, Yawei Chen, Xuan Liu, Tanyuan Wang, Jiantao Han, Shuhong Jiao, Ruiguo Cao and Qing Li*(李箐, 华中科技大学)
J. Mater. Chem. A, 2020
http://dx.doi.org/10.1039/D0TA01767A