采用解离的氢原子作为还原剂制备高氧还原电催化性能的Pd@Pt纳米结构

曹龙生 蒋尚峰 张耕 唐雪君 秦晓平 邵志刚 衣宝廉

引用本文: 曹龙生,  蒋尚峰,  张耕,  唐雪君,  秦晓平,  邵志刚,  衣宝廉. 采用解离的氢原子作为还原剂制备高氧还原电催化性能的Pd@Pt纳米结构[J]. 催化学报, 2017, 38(7): 1196-1206. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62840-7 shu
Citation:  Longsheng Cao,  Shangfeng Jiang,  Geng Zhang,  Xuejun Tang,  Xiaoping Qin,  Zhigang Shao,  Baolian Yi. Fabrication of a highly dispersed Pdcore@Ptshell electrocatalyst for the oxygen reduction reaction[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(7): 1196-1206. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62840-7 shu

采用解离的氢原子作为还原剂制备高氧还原电催化性能的Pd@Pt纳米结构

  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2016YFB0101208);国家自然科学基金(21576257);自然科学基金-辽宁省联合基金(U1508202).

摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种清洁、高效的能源转化装置,已经备受学术界与产业界的关注.然而,高活性、高稳定性与低成本的铂基阴极氧还原(ORR)电催化剂的缺乏,严重限制PEMFC的大规模商业化应用.为提高贵金属铂的电催化性能,核壳纳米结构的研究受到广范关注.然而,核壳纳米结构的制备过程通常需要采用有机前驱体、表面活性剂与较高的反应温度,导致大多核壳结构制备方法的大规模应用受到限制.我们在室温下无表面活性剂与高沸点溶剂的参与下,通过钯表面吸附的解离的氢原子来还原K2PtCl4,得到Pd@Pt纳米结构.通过改变加入K2PtCl4的量,可以成功控制壳的厚度;通过透射电子显微镜(TEM)观察得知,我们制备了铂壳厚度分别为0.45,0.75,0.9 nm的核壳结构.Pd@Pt纳米结构的良好的纳米晶体结构与外延生长模式,通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)与能量色散谱仪(EDS)得到证实.同时,所制备Pd@Pt样品的核壳结构通过高角环形暗场-扫描透射-元素分布(HAADF-STEM-EDX)表征方法,得到证实.X射线粉末衍射(XRD)表征证实,样品Pd@Pt并无单独的Pd或Pt衍射峰出现,而是表现出良好的同种晶相结构;相对于单质Pt,样品中Pd的存在导致Pd@Pt核壳结构表现出一定程度的晶格紧缩.X射线光电子能谱(XPS)表明,钯核的存在导致铂壳的电子结合能增大,并且当铂壳厚度增大到一定程度后,核壳结构引起的电子效应维持不变.通过XPS分峰拟合可知,Pd@Pt结构中零价态的铂含量均在80%以上,并且零价态的铂含量随着铂壳层厚度的增大而增大.采用电感耦合等离子体(ICP)与XPS,发现铂的表面富集现象,并且铂表面富集现象随着铂壳层厚度的增大而增大.在半电池中,经过循环伏安扫描活化,Pd@Pt表现出明显的铂的氢吸附与脱附特征峰,再次证明了铂壳层的成功包覆.Pd@Pt纳米颗粒表现出优于Pt/C (JM)的面积比活性、质量比活性及电化学稳定性.核壳结构的良好的ORR电催化性能,来源于催化剂表面含氧物种吸附强度的减弱;上述现象归因于钯核与铂壳之间的电子效应与晶格应力效应.此处简易、清洁的核壳结构制备方法也可以用来在温和条件下制备Ni核@Pt等核壳结构.

English

    1. [1] M. K. Debe, Nature, 2012, 486, 43-51.

    2. [2] Y. Y. Feng, J. H. Ma, G. R. Zhang, D. Zhao, B. Q. Xu, Chin. J. Catal., 2009, 30, 776-779.

    3. [3] D. S. He, D. P. He, J. Wang, Y. Lin, P. Q. Yin, X. Hong, Y. E. Wu, Y. D. Li, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1494-1497.

    4. [4] M. J. He, K. P. Yan, G. X. Wang, Y. H. Sun, Y. F. Zhong, C. H. Luo, Chin. J. Inorg. Chem., 2017, 33, 315-322.

    5. [5] L. P. Wang, W. S. Jia, X. F. Liu, J. Z. Li, M. M. Titirici, J. Energy Chem., 2016, 25, 566-570.

    6. [6] Y. Nie, L. Li, Z. D. Wei, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 2168-2201.

    7. [7] Q. M. Wang, S. G. Chen, F. Shi, K. Chen, Y. Nie, Y. Wang, R. Wu, J. Li, Y. Zhang, W. Ding, Y. Li, L. Li, Z. D. Wei, Adv. Mater., 2016, 28, 10673-10678.

    8. [8] K. D. Gilroy, A. Ruditskiy, H. C. Peng, D. Qin, Y. N. Xia, Chem. Rev., 2016, 116, 10414-10472.

    9. [9] M. R. Xia, Y. Liu, Z. D. Wei, S. G. Chen, K. Xiong, L. Li, W. Ding, J. S. Hu, L. J. Wan, R. Li, S. F. Alvia, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 14443-14448.

    10. [10] S. J. Guo, S. Zhang, S. H. Sun, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8526-8544.

    11. [11] H. S. Liu, D. G. Xia, J. J. Zhang, in:J. J. Zhang ed., PEM Fuel Cell Elec-trocatalysts and Catalyst Layers, Fundamentals and Applications, Springer, London, 2008, 631-654.

    12. [12] D. Chen, R. Chen, D. Dang, T. Shu, H. L. Peng, S. J. Liao, Electrochem. Commun., 2014, 46, 115-119.

    13. [13] G. Zhang, Z. G. Shao, W. T. Lu, H. Xiao, F. Xie, X. P. Qin, J. Li, F. Q. Liu, B. L. Yi, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 13413-13423.

    14. [14] A. Sarkar, A. Manthiram, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 4725-4732.

    15. [15] H. C. Tsai, Y. C. Hsieh, T. H. Yu, Y. J. Lee, Y. H. Wu, B. V. Merinov, P. W. Wu, S. Y. Chen, R. R. Adzic, W. A. Goddard, ACS Catal., 2015, 5, 1568-1580.

    16. [16] X. Wang, L. Zhang, S. I. Choi, M. Luo, L. T. Roling, J. A. Herron, M. Mavrikakis, C. Ma, M. F. Chi, J. Y. Liu, Z. X. Xie, Y. N. Xia, Nat. Com-mun., 2015, 6, 7594-7601.

    17. [17] L. Z. Bu, S. J. Guo, X. Zhang, X. Shen, D. Su, G. Lu, X. Zhu, J. L. Yao, J. Guo, X. Q. Huang, Nat. Commun., 2016, 7, 11850.

    18. [18] L. Z. Bu, N. Zhang, S. J. Guo, X. Zhang, J. Li, J. L. Yao, T. Wu, G. Lu, J. Y. Ma, D. Su, X. Q. Huang, Science, 2016, 354, 1410-1414.

    19. [19] G. Zhang, Z. G. Shao, W. T. Lu, F. Xie, H. Xiao, X. P. Qin, B. L. Yi, Appl. Catal. B, 2013, 132-133, 183-194.

    20. [20] G. L. Kellogg, A. F. Wright, M. S. Daw, J. Vac. Sci. Technol. A, 1991, 9, 1757-1760.

    21. [21] J. R. Kitchin, J. K. Norskov, M. A. Barteau, J. G. Chen, J. Chem. Phys., 2004, 120, 10240-10246.

    22. [22] W. Liu, P. Rodriguez, L. Borchardt, A. Foelske, J. P. Yuan, A. K. Herrmann, D. Geiger, Z. K. Zheng, S. Kaskel, N. Gaponik, R. Kötz, T. J. Schmidt, A. Eychmüller, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 9849-9852.

    23. [23] M. T. Gorzkowski, A. Lewera, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 18389-18395.

    24. [24] J. J. Lü, J. N. Zheng, H. B. Zhang, M. Lin, A. J. Wang, J. R. Chen, J. J. Feng, J. Power Sources, 2014, 269, 136-143.

    25. [25] R. K. Singh, R. Rahul, M. Neergat, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 13044-13051.

    26. [26] F. Şen, G. Gökaǧaç, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 5715-5720.

    27. [27] J. R. Croy, S. Mostafa, L. Hickman, H. Heinrich, B. R. Cuenya, Appl. Catal. A, 2008, 350, 207-216.

    28. [28] A. K. Shukla, M. Neergat, P. Bera, V. Jayaram, M. S. Hegde, J. Elec-troanal. Chem., 2001, 504, 111-119.

    29. [29] A. S. Aricò, A. K. Shukla, H. Kim, S. Park, M. Min, V. Antonucci, Appl. Surf. Sci., 2001, 172, 33-40.

    30. [30] L. S. Cao, G. Zhang, W. T. Lu, X. P. Qin, Z. G. Shao, B. L. Yi, RSC Adv., 2016, 6, 39993-40001.

    31. [31] L. Gan, M. Heggen, S. Rudi, P. Strasser, Nano Lett., 2012, 12, 5423-5430.

    32. [32] H. A. Gasteiger, S. S. Kocha, B. Sompalli, F. T. Wagner, Appl. Catal. B, 2005, 56, 9-35.

    33. [33] B. Hammer, J. K. Norskov, Adv. Catal., 2000, 45, 71-129.

    34. [34] A. Jackson, V. Viswanathan, A. J. Forman, A. H. Larsen, J. K. Nör-skov, T. F. Jaramillo, ChemElectr℃hem, 2014, 1, 67-71.

    35. [35] M. H. Shao, G. H. He, A. Peles, J. H. Odell, J. Zeng, D. Su, J. Tao, T. Yu, Y. M. Zhu, Y. N. Xia, Chem. Commun., 2013, 49, 9030-9032.

    36. [36] L. S. Cao, G. Zhang, S. F. Jiang, X. J. Tang, X. P. Qin, X. Q. Guo, Z. G. Shao, B. L. Yi, ChemElectr℃hem, 2016, 3, 309-317.

    37. [37] G. Zhang, Z. G. Shao, W. T. Lu, H. Xiao, F. Xie, X. P. Qin, J. Li, F. Q. Liu, B. L. Yi, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 13413-13423.

    38. [38] G. W. Wang, B. Huang, L. Xiao, Z. D. Ren, H. Chen, D. L. Wang, H. D. Abruña, J. T. Lu, L. Zhuang, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 9643-9649.

    39. [39] Z. Y. Wu, W. W. Zhang, S. R. Sun, Comput. Mater. Sci., 2016, 125, 278-283.

    40. [40] N. Becknell, Y. J. Kang, C. Chen, J. Resasco, N. Kornienko, J. H. Guo, N. M. Markovic, G. A. Somorjai, V. R. Stamenkovic, P. D. Yang, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 15817-15824.

    41. [41] K. Sasaki, M. H. Shao, R. Adzic, in: F. N. Büchi, M. Inaba, T. J. Schmidt, eds., Polymer Electrolyte Fuel Cell Durability, Springer, New York, 2009, 7-27.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  1716
  • HTML全文浏览量:  172
文章相关
  • 收稿日期:  2017-02-21
  • 修回日期:  2017-04-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章