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近日，中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心及化學與材料科學學院的曾杰教授團隊和國家同步輻射實驗室鮑駿教授團隊合作，通過精準的氧化刻蝕，調(diào)控鈀鉑合金的形貌和組分，設(shè)計并構(gòu)筑出了超立方體框架結(jié)構(gòu)催化劑，其在氫氧燃料電池陰極反應(yīng)中表現(xiàn)出高活性和高穩(wěn)定性。研究成果以“Pd-Pt Tesseracts for the Oxygen Reduction Reaction”為題發(fā)表在《美國化學會志》上（J. Am. Chem. Soc. 2021,doi.org/10.1021/jacs.0c12282）。

燃料電池是一種化學電池，它利用物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)時釋出的能量，直接將其變換為電能。也是繼火電、水電、核電之后的第四種發(fā)電裝置，是當今世界各科技強國都十分重視的高新技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。電池陰極的氧還原反應(yīng)的鉑基催化劑活性和穩(wěn)定性較低，制約了電池的輸出功率和充放電循環(huán)次數(shù)，從而增加了整個燃料電池的成本。因此，高活性、高穩(wěn)定性的陰極催化劑的制備成為該領(lǐng)域研究的熱點與難點?？招目蚣芙Y(jié)構(gòu)以其高比表面、高活性位點占比等優(yōu)點成為最有潛力的催化劑制備策略之一。該研究團隊受三維立方體向四維超立方體演變的啟發(fā)，將鈀鉑均勻合金立方體進行氧化刻蝕，通過精準調(diào)控鈀原子的去除和余下鈀原子與鉑原子的重排，得到鈀鉑合金超立方體框架結(jié)構(gòu)（圖1）。此外，通過調(diào)節(jié)初始立方體中鈀、鉑兩種元素的比例，還可以得到八足體和立方框架結(jié)構(gòu)。

圖1.立方體向超立方體的演變

在氫氧燃料電池陰極催化測試中，立方框架結(jié)構(gòu)、超立方體結(jié)構(gòu)和八足體結(jié)構(gòu)的單位質(zhì)量活性分別達到了商用鉑碳催化劑的4.1倍，11.6倍和8.3倍（圖2）。此外，超立方體結(jié)構(gòu)催化劑還表現(xiàn)出了最高的本征活性（2.09安培每平方厘米）和優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。密度泛函理論計算表明超立方體表面晶面的氧吸附能最接近于理論最優(yōu)值，這一趨勢與實際測試的氧還原活性順序相一致。這種新的超立方體框架催化劑設(shè)計理念為今后相關(guān)電催化劑的設(shè)計提供了新的思路。

該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學基金、中科院前沿科學重點研究項目等資助。

圖2.幾種鈀鉑框架結(jié)構(gòu)催化劑和商用鉑碳催化劑的單位質(zhì)量活性對比

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12282

（化學與材料科學學院、合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、科研部）