王得麗團隊：PtCu納米框架結構有序化過程的原位電鏡表徵

10月6日，應用材料領域國際頂級期刊Appl. Catal. B Environ.在線發表華中科技大學化學與化工學院王得麗教授團隊研究成果《Structure Evolution of PtCu Nanoframes from Disordered to Ordered for the Oxygen Reduction Reaction》。論文第一作者為2016級博士生龔明星和北京物理所肖東東博士，王得麗教授和Huolin Xin教授(University of California, Irvine)為論文通訊作者。

高活性、高穩定性ORR催化劑對於燃料電池輸出性能和功率密度的提升至關重要。短期內Pt仍是不可替代的活性組分，但受制於其儲量、價格、易毒化等因素，如何進一步改性該類材料，提高貴金屬Pt原子經濟性，提升材料催化活性、循環穩定性是當務之急。過去十年的研究表明，結構、形貌調控可有利於優化貴金屬基催化劑的原子利用率以及催化性能，如納米花狀、立方體、棒狀、線狀和框架結構等均顯示出優異的性能，特別是框架結構具有較大的可接觸面積和最大化的Pt利用率，是較為理想的ORR催化材料，引起了廣泛關注。有鑑於此，王得麗教授團隊採用簡單的一鍋溶劑熱法可控合成Pt-Cu納米框架結構（PtCu NFs）並對其進行了全面的結構表徵與分析（如圖1），該PtCu NFs表現出較好的ORR催化活性；但由於過渡金屬溶解、結構坍塌導致該催化劑的穩定性還不能滿足電池長效運行需求。

▲圖1. PtCu NFs的結構表徵與分析

為進一步提升Pt基合金的抗腐蝕性能，該團隊長期以來致力於有序金屬間化合物的製備，即將傳統的Pt基無序合金轉變為有序金屬間化合物以進一步優化其活性特別是穩定性。當合金體系中原子間轉變為有序相時，Pt-M金屬間化合物的穩定性將顯著增強，這是由於有序化過程中較大的生成焓和較強Pt(5d)-M(3d)軌道耦合效應導致。在有序Pt3Co、PtFe、PtNi和PtZn金屬間化合物中，Co、Fe、Ni和Zn原子在循環過程中溶解程度均得到有效地抑制，表現出增強的抗酸、抗蝕刻化學穩定性，從而大大地提升了其對ORR的耐久性。更重要地是，這種結構中有序核誘導的Pt表層還將進一步促進表層Pt晶格收縮，這對ORR的活性提高至關重要。

為此，該課題組探索出合適的熱處理條件，實現了PtCu二元體系中合金相由無序到有序的轉變，所得L11-PtCu在酸性環境中經30000圈循環質量活性僅損失15%，大大優於無序態合金。最後，該團隊採用三維重構輔助原位加熱實驗探究了框架結構有序化過程中的結構演變過程，揭示有序過程的驅動力以及過快的原子遷移速率會導致納米結構的塌陷和聚集，為後續形貌可控的金屬間化合物探索製備提供了可視化的理解和指導（如圖2）。

▲圖2. PtCu NFs原位加熱過程中的結構演變的三維重構。

以上工作得到國家自然科學基金、國家留學基金委、華中科技大學人才引進基金、教育部新世紀優秀人才支持計劃等項目的資助。

課題組介紹

王得麗，教授，博士生導師，2013年初入職華中科技大學化學與化工學院，建立電化學能源與環境材料實驗室。2008年7月博士畢業於武漢大學，博士畢業後先後在新加坡南洋理工大學燃料電池研究中心和在美國康奈爾大學能源材料研究中心做博士後研究工作。多年來一直從事燃料電池電極催化劑以及鋰電池電極材料的設計以及性能優化方面的研究。近年來，在Nat.Mater.，Nat. Commun.， JACS， Nano Lett. 等國內外知名學術期刊上發表論文100餘篇，獲得美國授權發明專利2項，中國發明專利6項，擔任《Chinese Chemical Letter中國化學快報》青年編委、《JPHYS.Energy》、Energy&Fuels》、《儲能科學與技術》和《Nano Materials Science》編委。課題組隸屬於華中科技大學能量轉換與存儲材料化學教育部重點實驗室。
論文連結：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119617

課題組網站：http://deli.chem.hust.edu.cn/