关于金属间化合物可控合成新思路

来源：RSC英国皇家化学会

近日，华南理工大学崔志明教授课题组在英国皇家化学会著名期刊 Journal of Materials Chemistry A 上发表论文，报道了介孔碳约束的金属间纳米颗粒材料的开发工作，并成功将这种材料用作氧还原反应中的长寿命电催化剂。本篇论文入选 2020 Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators 特邀专刊，在此我们特别祝贺崔志明教授！

阴极催化剂是制约质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 商业化的瓶颈，目前 PEMFC 中使用的碳载铂和铂基合金催化剂存在铂用量高、稳定性不足的问题，因此亟需研制新型的高效、长寿命电催化剂。金属间化合物由于具有长程有序的晶体结构和规则有序的活性位分布等优点，被认为是一类极具应用前景的燃料电池催化剂。然而，铂基金属间化合物催化剂在燃料电池中的实际应用需要解决以下两个关键问题：

（1）如何在高温热处理过程中控制金属间化合物催化剂的粒径和有序化度，提高铂的利用率；（2）如何有效抑制反应过程中催化剂纳米粒子从碳载体上的脱落分离，提高催化剂的稳定性。

近日，华南理工大学崔志明教授课题组应邀在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry A 上发表题为“Mesoporous carbon confined intermetallic nanoparticles as highly durable electrocatalysts for the oxygen reduction reaction” 的研究论文，针对上述问题，提出了有效的空间限域合成策略，选用高比表面积的十二面体介孔碳为载体，通过冷冻干燥-热还原技术开发了高效、长寿命的介孔碳负载的 Pt3Co 金属间化合物催化剂 (Pt3Co/DMC-F)。

研究者从载体、催化剂本身以及二者的相互作用三个方面对催化剂的合成进行了设计，提出了以 MOFs 衍生介孔碳同时作为限域模板和载体，结合冷冻干燥技术在衍生碳内部孔道中原位生成金属间化合物的方法（图 1）。其中，介孔碳的引入不仅有助于抑制合成过程中纳米颗粒的团聚以保持较小的粒径分布，而且有助于增强催化剂与载体之间的相互作用，即在催化过程中锚定催化剂小颗粒、防止催化剂的迁移和脱落。本文中合成出的有序 Pt3Co 金属间化合物粒径为 3 nm，在目前所有报导的有序 Pt 基金属间化合物催化剂中最小。ORR 性能测试表明，与 Pt3Co/C 和商业 Pt/C 催化剂相比，该 MOFs 衍生介孔碳负载的 Pt3Co 金属间化合物催化剂(Pt3Co/DMC-F)具有显著增强的催化活性和稳定性。更重要的是，Pt3Co/DMC-F 的优异电催化性能通过氢氧燃料单电池得到了进一步的验证，在 0.6 V 下可提供 1.3 A cm-2 的高电流密度，以及在 20000 次循环后，活性损失也仅为 15.4%（图 2）。由此可见，载体的空间限域作用为金属间化合物催化剂的可控合成提供了新的思路。

华南理工大学博士生赵伟悦为该论文第一作者，崔志明教授和廖世军教授为共同通讯作者。

论文信息

Mesoporous carbon confined intermetallic nanoparticles as highly durable electrocatalysts for the oxygen reduction reaction
Weiyue Zhao (赵伟悦，广东省燃料电池技术重点实验室，华南理工大学), Zhiming Cui*（崔志明，广东省燃料电池技术重点实验室，华南理工大学）, Shijun Liao *（廖世军，广东省燃料电池技术重点实验室，华南理工大学）
J. Mater. Chem. A, 2020
http://dx.doi.org/10.1039/D0TA01437K