课题组新闻

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课题组关于应变调控的工作在《Nature》杂志上发表!催化剂设计和能源转化方面
发布者: 金明尚 | 2022-02-16 | 4441

西安交通大学前沿科学技术研究院、动力工程多相流国家重点实验室金明尚教授团队与上海交通大学材料科学与工程学院邬剑波教授、美国加州大学河滨分校殷亚东教授课题组密切合作在催化剂表面应变调控提升铂(Pt)催化性能方面取得重要进展。相关成果“调控铂催化剂表面应变实现高效电催化”(Mastering the surface strain of Pt catalysts for efficient electrocatalysis)于106日发表在Nature, 598, 76–81 (2021)

铂(Pt)催化剂是目前能源领域最重要的一类催化剂,已被广泛应用于燃料电池、水分解制氢等可持续能源系统中。应变调节能控制Pt原子间距离从而灵敏地改变其电子结构,进一步结合晶面调控可以在原子尺度上针对特定催化体系实现Pt催化剂表面活性位点电子和几何结构的优化,进而获得高效Pt催化剂。目前,催化剂表面应变调节主要依赖于Pt在另一种材料表面的沉积(形成核壳结构)。虽然Pt和其他材料之间存在晶格常数差异,但这种获得表面应变的方式难以实现应变的精准、连续调节。如何实现Pt催化剂表面应变的精准、连续调控是催化领域备受关注和亟待解决的挑战性难题。该领域近年的一个重要进展是将Pt沉积在电池电极材料表面,并利用电池电极材料直接连续控制Pt催化剂晶格应变,从而调节其催化燃料电池相关反应(如氧还原反应)。然而由于电池电极材料和Pt之间的晶格失配过大且电导率差等因素,这类方法不仅难以做到表面应变的连续、精准调控同时所获得的材料并不适用于电催化能源转化体系。该研究团队在前期发现钯(Pd)纳米晶体可以通过磷化和去磷化反应实现体积连续改变的基础上,发展了一种基于Pt基核壳结构的磷化和去磷化处理的全新应变调节方法。该方法可应用于不同表面结构的Pt催化剂表面应变的调节,甚至有望进一步拓展至其他材料,具有普适性。

西安交通大学前沿科学技术研究院、动力工程多相流国家重点实验室金明尚教授团队与上海交通大学材料科学与工程学院邬剑波教授、美国加州大学河滨分校殷亚东教授课题组密切合作在催化剂表面应变调控提升铂(Pt)催化性能方面取得重要进展。相关成果“调控铂催化剂表面应变实现高效电催化”(Mastering the surface strain of Pt catalysts for efficient electrocatalysis)于106日发表在Nature, 598, 76–81 (2021)

铂(Pt)催化剂是目前能源领域最重要的一类催化剂,已被广泛应用于燃料电池、水分解制氢等可持续能源系统中。应变调节能控制Pt原子间距离从而灵敏地改变其电子结构,进一步结合晶面调控可以在原子尺度上针对特定催化体系实现Pt催化剂表面活性位点电子和几何结构的优化,进而获得高效Pt催化剂。目前,催化剂表面应变调节主要依赖于Pt在另一种材料表面的沉积(形成核壳结构)。虽然Pt和其他材料之间存在晶格常数差异,但这种获得表面应变的方式难以实现应变的精准、连续调节。如何实现Pt催化剂表面应变的精准、连续调控是催化领域备受关注和亟待解决的挑战性难题。该领域近年的一个重要进展是将Pt沉积在电池电极材料表面,并利用电池电极材料直接连续控制Pt催化剂晶格应变,从而调节其催化燃料电池相关反应(如氧还原反应)。然而由于电池电极材料和Pt之间的晶格失配过大且电导率差等因素,这类方法不仅难以做到表面应变的连续、精准调控同时所获得的材料并不适用于电催化能源转化体系。该研究团队在前期发现钯(Pd)纳米晶体可以通过磷化和去磷化反应实现体积连续改变的基础上,发展了一种基于Pt基核壳结构的磷化和去磷化处理的全新应变调节方法。该方法可应用于不同表面结构的Pt催化剂表面应变的调节,甚至有望进一步拓展至其他材料,具有普适性。

 

1. 利用Pd基纳米立方体内核在磷化/去磷化过程中的体积伸缩调控Pt壳层晶格应变

为实现Pt催化剂晶格应变的精准、连续调节,该合作团队首先将Pt沉积于Pd基材料表面形成Pd@PtPdP@Pt核壳结构。在前期研究中,金明尚教授团队曾发现对Pd纳米立方体进行磷化处理会引起明显的体积膨胀;相反,通过去磷化处理又可使PdP纳米颗粒体积回缩至初始状态(Nature Communications, 2017, 8, 1261)。基于此,研究发现对Pd@PtPdP@Pt核壳结构)进行磷化(去磷化)处理可以获得相应的拉伸(压缩)应变。该团队进一步通过控制磷化(去磷化)程度调节实现了Pt晶格伸缩程度的精准调控,得到在-5.1%-5.9%范围连续可调的晶格应变(图1)。通过原子分辨的球差电镜表征系统分析了实验条件对晶格应变的影响,并结合理论计算揭示了晶格应变能改变催化体系中关键物种在Pt催化剂表面的吸附强度和吸附位点从而影响其催化活性。更为重要的是,在深入理解Pt催化剂应变-活性构效关系的基础上,该团队通过应变优化使Pt催化剂在甲醇电催化氧化和析氢反应中的活性分别提升2.5倍和1.5倍以上。晶格应变调节方法的开发为高效Pt催化剂的设计和制备提供了详细的理论指导和全新的实验方法,并有望应用于燃料电池、电解水产氢产氧等领域。

该研究工作在金明尚教授的带领下,由金明尚教授、上海交通大学邬剑波教授和美国加州大学河滨分校殷亚东教授共同指导完成。应变调节实验和催化性能表征部分主要由博士贺天欧、博士后王伟聪完成,球差电镜表征和应变分析由上海交通大学施枫磊博士完成,理论计算部分由重庆大学杨小龙博士完成。西安工业大学李祥博士也参与了工作的部分研究与结果分析讨论。本研究工作得到国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心项目、国家自然科学基金面上项目、多相流国家重点实验室开放课题等项目的资助和支持。