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北京大学郭少军课题组–PdMo双金属烯用于氧还原催化

通过电催化方法实现化学能与电能的有效相互转化,则是许多可再生能源计划的核心。氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的缓慢动力学,长期以来一直是该领域面临的最大挑战之一,且通常需要采用昂贵的铂基金属催化剂来保证催化过程的活性和稳定性。合金化、表面应力和优化的配位环境的使用,使铂基纳米晶在酸性介质中具有很高的ORR活性;然而,在碱性环境下提高该反应活性仍然存在困难,因为在氢氧化物存在下,很难实现对铂基金属的最佳氧结合强度。在这里,我们证明了PdMo双金属烯(一种高度弯曲亚纳米级厚度金属纳米片形式的钯钼合金)是碱性电解质中ORR和OER的高效、稳定的电催化剂,在锌-空气和锂-空气电池中展现出良好的电池性能。PdMo双金属烯的薄层结构可实现较大的电化学活性表面积(138.7平方米/克钯)以及高的原子利用率;在碱性电解质中催化ORR时,相对于可逆氢电极,PdMo双金属烯能在0.9V电位达到16.37 A/mgPd的电流密度。该质量比活性分别是工业Pt/C和Pd/C催化剂的78倍和327倍,在30000次循环后几乎没有衰减。密度泛函理论计算表明,合金效应、弯曲几何引起的应变效应和薄片厚度引起的量子尺寸效应可以调节电子结构,从而优化催化剂表面氧结合。鉴于PdMo金属烯的性质和构效关系,我们认为其他金属烯材料在能量电催化方面具有广阔的应用前景

北京大学郭少军课题组--PdMo双金属烯用于氧还原催化

Fig. 1:PdMo双金属烯的形貌、结构和组成表征。PdMo双金属烯的(a)低倍HAADF-STEM,(b)高倍HAADF-STEM和(c) TEM 图。PdMo双金属烯的(d)AFM图和(e)相应的高度剖面图。(f)单片双金属烯纳米薄片的高分辨率HAADF-STEM图。工业Pd/C、Pd金属烯和PdMo双金属烯催化剂的(h)PXRD图谱和(i)XPS谱。

北京大学郭少军课题组--PdMo双金属烯用于氧还原催化

Fig. 2:PdMo双金属烯/C、Pd金属烯/C、工业催化剂Pt/C和Pd/C的电催化性能。该催化剂(相对于RHE)在0.1 M KOH中0.9 V电位下的(a)ORR极化曲线和(b)质量比活性的比较。该催化剂的(c)ECSAs 、(d)ORR极化曲线和(e)质量活度变化。

北京大学郭少军课题组--PdMo双金属烯用于氧还原催化

Fig. 3:DFT计算氧吸附能和d带中心。(a)左边:四层PdMo双金属烯原子模型的侧视图。右边:原子模型的俯视图。(b)PdMo双金属烯的∆EO为压缩(负)和拉伸(正)应变的函数。水平红线表示最优∆EO值。(c)在体钯、四层钯板(Pd 4L)和PdMo中,表面钯原子的d带电子密度的预测。水平虚线表示计算出的d波段中心。

相关研究成果于2019年由北京大学郭少军课题组,发表于Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-019-1603-7 ) 上。原文:PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis 

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