Citation: Xiao Xia Wang, Joshua Sokolowski, Hui Liu, Gang Wu. Pt alloy oxygen-reduction electrocatalysts: Synthesis, structure, and property[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(5): 739-755. doi: S1872-2067(19)63407-8
铂合金氧还原催化剂:合成、结构和性能
在铂基合金催化剂中,通常采用过渡金属元素作为掺杂元素,由于原子半径不匹配(几何效应)以及电子结构不同(电子效应),合金催化剂表现出优于纯铂催化剂的催化性能.近几年,对于铂基合金催化剂的研究已取得重大进展,以合金组成和结构研究为基础,通过精确控制原子结构、调控表面电子状态以及制备工艺,获得了各种特殊形貌的催化剂,大大提高了催化活性.本文深入综述了近年来铂基合金氧还原催化剂制备、形貌和性能,特别关注了催化剂形貌和催化活性之间的关系.值得注意的是,具有有序原子排列的铂合金催化剂不仅在半电池中表现出优异活性,在实际质子交换膜燃料电池中也显示了很好的活性和稳定性.另一方面,碳载体的形貌及微观结构也对提高催化活性和稳定性起到决定性作用,通过化学手段加强金属纳米颗粒与碳载体之间的相互作用也是提高催化剂稳定性的重要途径.
尽管铂基氧还原催化剂在近几年取得了重要进展,但在实际商业化过程中还存在诸多挑战,本文在综述进展的基础上,对铂基催化剂的发展提出了展望.首先,对于氧还原反应机理仍需要深入研究,采用更加精确的理论模型模拟氧还原动力学过程,以获得影响催化活性的关键因素.其次,提高催化剂在膜电极中的催化活性和利用率.目前,氧还原催化剂在半电池测试中性能优异,但是实际燃料电池操作条件下其性能远不能达到要求,这与膜电极、催化剂层及扩散层结构相关.因此,基于不同铂基催化剂的特性,合理设计膜电极组件的结构是将催化剂进行实际应用的基础.最后,催化剂的稳定性仍需进一步提高,尽管目前大部分催化剂在实验室半电池研究中表现了很好的稳定性,但在实际燃料电池中的稳定性研究还不足,而且对催化剂在膜电极中性能衰退机理的研究也非常有限.因此,对于铂基氧还原催化剂的研发仍需要国内外科研工作者不懈的努力.
English
Pt alloy oxygen-reduction electrocatalysts: Synthesis, structure, and property
-
-
[1] Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science, 2017, 355, 146.
-
[2] M. K. Debe, Nature, 2012, 486, 43-51.
-
[3] TOYOTA, Fuel Cell Vehicles, 2014, http://www.toyota.co.jp/jpn/tech/environment/fcv/index.html.
-
[4] D. Papageorgopoulos, Fuel Cells R&D Overview, 2018, https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review18/fc01_papageorgopoulos_2018_o.pdf.
-
[5] J. Kong, W. Cheng, Chin. J. Catal., 2017, 38, 951-969.
-
[6] Y. Nie, L. Li, Z. Wei, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 2168-2201.
-
[7] M. Shao, Q. Chang, J.-P. Dodelet, R. Chenitz, Chem. Rev., 2016, 116, 3594-3657.
-
[8] W. Wang, B. Lei, S. Guo, Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600236.
-
[9] Y.-J. Wang, W. Long, L. Wang, R. Yuan, A. Ignaszak, B. Fang, D.P. Wilkinson, Energy Environ. Sci., 2018, 11, 258-275.
-
[10] H.-L. Liu, F. Nosheen, X. Wang, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 3056-3078.
-
[11] J. Wu, H. Yang, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1848-1857.
-
[12] J. K. Nørskov, J. Rossmeisl, A. Logadottir, L. Lindqvist, J. R. Kitchin, T. Bligaard, H. Jónsson, J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 17886-17892.
-
[13] V. Stamenkovic, B. S. Mun, K. J. J. Mayrhofer, P. N. Ross, N. M. Markovic, J. Rossmeisl, J. Greeley, J. K. Nørskov, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 2897-2901.
-
[14] M. Luo, S. Guo, Nat. Rev. Mater., 2017, 2, 17059.
-
[15] L. Wang, Z. Zeng, W. Gao, T. Maxson, D. Raciti, M. Giroux, X. Pan, C. Wang, J. Greeley, Science, 2019, 363, 870-874.
-
[16] M. Gsell, P. Jakob, D. Menzel, Science, 1998, 280, 717-720.
-
[17] B. Hammer, J.K. Nørskov, Surf. Sci., 1995, 343, 211-220.
-
[18] M. Asano, R. Kawamura, R. Sasakawa, N. Todoroki, T. Wadayama, ACS Catal., 2016, 6, 5285-5289.
-
[19] V. R. Stamenkovic, B. S. Mun, M. Arenz, K. J. J. Mayrhofer, C. A. Lucas, G. Wang, P. N. Ross, N. M. Markovic, Nat. Mater., 2007, 6, 241-247.
-
[20] J. Greeley, I. E. L. Stephens, A. S. Bondarenko, T. P. Johansson, H. A. Hansen, T. F. Jaramillo, J. Rossmeisl, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, Nat. Chem., 2009, 1, 552-556.
-
[21] M. Escudero-Escribano, P. Malacrida, M. H. Hansen, U. G. Vej-Hansen, A. Velázquez-Palenzuela, V. Tripkovic, J. Schiøtz, J. Rossmeisl, I. E. L. Stephens, I. Chorkendorff, Science, 2016, 352, 73-76.
-
[22] S. C. Ball, S. L. Hudson, J. H. Leung, A. E. Russell, D. Thompsett, B. R. Theobald, ECS Trans., 2007, 11, 1247-1257.
-
[23] J. Hao, Y. Liu, W. Li, J. Li, Mater. Rep. (Cailiao Daobao), 2019, 33, 127-134.
-
[24] C. Cui, L. Gan, M. Heggen, S. Rudi, P. Strasser, Nat. Mater., 2013, 12, 765-771.
-
[25] L. Gan, M. Heggen, C. Cui, P. Strasser, ACS Catal., 2016, 6, 692-695.
-
[26] N. Todoroki, R. Kawamura, M. Asano, R. Sasakawa, S. Takahashi, T. Wadayama, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 11994-12004.
-
[27] V. R. Stamenkovic, B. Fowler, B. S. Mun, G. Wang, P. N. Ross, C. A. Lucas, N. M. Marković, Science, 2007, 315, 493-497.
-
[28] S. Kobayashi, M. Wakisaka, D. A. Tryk, A. Iiyama, H. Uchida, J. Phys. Chem. C, 2017, 121, 11234-11240.
-
[29] S.-I. Choi, S. Xie, M. Shao, J. H. Odell, N. Lu, H.-C. Peng, L. Protsailo, S. Guerrero, J. Park, X. Xia, J. Wang, M. J. Kim, Y. Xia, Nano Lett., 2013, 13, 3420-3425.
-
[30] J. Wu, L. Qi, H. You, A. Gross, J. Li, H. Yang, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 11880-11883.
-
[31] J. Park, L. Zhang, S.-I. Choi, L. T. Roling, N. Lu, J. A. Herron, S. Xie, J. Wang, M. J. Kim, M. Mavrikakis, Y. Xia, ACS Nano, 2015, 9, 2635-2647.
-
[32] S.-I. Choi, R. Choi, S. W. Han, J. T. Park, Chem.-Eur. J., 2011, 17, 12280-12284.
-
[33] R. M. Arán-Ais, F. Dionigi, T. Merzdorf, M. Gocyla, M. Heggen, R. E. Dunin-Borkowski, M. Gliech, J. Solla-Gullón, E. Herrero, J. M. Feliu, P. Strasser, Nano Lett., 2015, 15, 7473-7480.
-
[34] X. Sun, K. Jiang, N. Zhang, S. Guo, X. Huang, ACS Nano, 2015, 9, 7634-7640.
-
[35] X. Huang, Z. Zhao, L. Cao, Y. Chen, E. Zhu, Z. Lin, M. Li, A. Yan, A. Zettl, Y. M. Wang, X. Duan, T. Mueller, Y. Huang, Science, 2015, 348, 1230-1234.
-
[36] H. Zhu, M.-C., Luo, Y.-Z. Cai, Z.-N. Sun, Acta Phys.-Chim. Sin., 2016, 32, 2462-2474.
-
[37] B. Corona, M. Howard, L. Zhang, G. Henkelman, J. Chem. Phys., 2016, 145, 244708.
-
[38] C. Wang, D. van der Vliet, K. L. More, N. J. Zaluzec, S. Peng, S. Sun, H. Daimon, G. Wang, J. Greeley, J. Pearson, A. P. Paulikas, G. Karapetrov, D. Strmcnik, N. M. Markovic, V. R. Stamenkovic, Nano Lett., 2011, 11, 919-926.
-
[39] X. Sun, D. Li, Y. Ding, W. Zhu, S. Guo, Z. L. Wang, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5745-5749.
-
[40] S. Zhang, Y. Hao, D. Su, V. V. T. Doan-Nguyen, Y. Wu, J. Li, S. Sun, C. B. Murray, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 15921-15924.
-
[41] X. Zhao, S. Chen, Z. Fang, J. Ding, W. Sang, Y. Wang, J. Zhao, Z. Peng, J. Zeng, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2804-2807.
-
[42] L.-L. Shen, G.-R. Zhang, S. Miao, J. Liu, B.-Q. Xu, ACS Catal., 2016, 6, 1680-1690.
-
[43] S. Cheong, J. D. Watt, R. D. Tilley, Nanoscale, 2010, 2, 2045-2053.
-
[44] D. S. He, D. He, J. Wang, Y. Lin, P. Yin, X. Hong, Y. Wu, Y. Li, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1494-1497.
-
[45] L. Zhang, L.T. Roling, X. Wang, M. Vara, M. Chi, J. Liu, S.-I. Choi, J. Park, J.A. Herron, Z. Xie, M. Mavrikakis, Y. Xia, Science, 2015, 349, 412-416.
-
[46] X. Wang, L. Figueroa-Cosme, X. Yang, M. Luo, J. Liu, Z. Xie, Y. Xia, Nano Lett., 2016, 16, 1467-1471.
-
[47] X. Peng, S. Zhao, T. J. Omasta, J. M. Roller, W. E. Mustain, Appl. Catal. B, 2017, 203, 927-935.
-
[48] C. Chen, Y. Kang, Z. Huo, Z. Zhu, W. Huang, H. L. Xin, J. D. Snyder, D. Li, J. A. Herron, M. Mavrikakis, M. Chi, K.L. More, Y. Li, N. M. Markovic, G. A. Somorjai, P. Yang, V. R. Stamenkovic, Science, 2014, 343, 1339-1343.
-
[49] S. Guo, D. Li, H. Zhu, S. Zhang, N. M. Markovic, V. R. Stamenkovic, S. Sun, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 3465-3468.
-
[50] L. Su, S. Shrestha, Z. Zhang, W. Mustain, Y. Lei, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 12293-12301.
-
[51] H. Zhu, S. Zhang, S. Guo, D. Su, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 7130-7133.
-
[52] N. N. Kariuki, W. J. Khudhayer, T. Karabacak, D. J. Myers, ACS Catal., 2013, 3, 3123-3132.
-
[53] L. Bu, J. Ding, S. Guo, X. Zhang, D. Su, X. Zhu, J. Yao, J. Guo, G. Lu, X. Huang, Adv. Mater., 2015, 27, 7204-7212.
-
[54] M. Luo, Y. Sun, X. Zhang, Y. Qin, M. Li, Y. Li, C. Li, Y. Yang, L. Wang, P. Gao, G. Lu, S. Guo, Adv. Mater., 2018, 30, 1705515.
-
[55] M. Li, Z. Zhao, T. Cheng, A. Fortunelli, C.-Y. Chen, R. Yu, Q. Zhang, L. Gu, B. V. Merinov, Z. Lin, E. Zhu, T. Yu, Q. Jia, J. Guo, L. Zhang, W. A. Goddard, Y. Huang, X. Duan, Science, 2016, 354, 1414-1419.
-
[56] E. Antolini, Appl. Catal. B, 2017, 217, 201-213.
-
[57] E. Casado-Rivera, D. J. Volpe, L. Alden, C. Lind, C. Downie, T. Vázquez-Alvarez, A. C. Angelo, F. J. Disalvo, H. D. Abruña, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 4043-4049.
-
[58] C. Frommen, H. Rösner, Mater. Lett., 2004, 58, 123-127.
-
[59] S. Koh, M. F. Toney, P. Strasser, Electrochim. Acta, 2007, 52, 2765-2774.
-
[60] J. Liang, Z. Miao, F. Ma, R. Pan, X. Chen, T. Wang, H. Xie, Q. Li, Chin. J. Catal., 2018, 39, 583-589.
-
[61] M. Luo, Y. Sun, L. Wang, S. Guo, Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602073.
-
[62] W. Xiao, W. Lei, M. Gong, H. L. Xin, D. Wang, ACS Catal., 2018, 8, 3237-3256.
-
[63] W. S. Jung, B. N. Popov, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 23679-23686.
-
[64] D. S. Choi, A. W. Robertson, J. H. Warner, S. O. Kim, H. Kim, Adv. Mater., 2016, 28, 7115-7122.
-
[65] Y. Cai, P. Gao, F. Wang, H. Zhu, Electrochim. Acta, 2017, 245, 924-933.
-
[66] L. Bu, S. Guo, X. Zhang, X. Shen, D. Su, G. Lu, X. Zhu, J. Yao, J. Guo, X. Huang, Nat. Commun., 2016, 7, 11850.
-
[67] X. X. Du, Y. He, X. X. Wang, J. N. Wang, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 2623-2632.
-
[68] D. Wang, Y. Yu, H. L. Xin, R. Hovden, P. Ercius, J. A. Mundy, H. Chen, J. H. Richard, D. A. Muller, F. J. Disalvo, Nano Lett., 2012, 12, 5230-5238.
-
[69] D. Wang, Y. Yu, J. Zhu, S. Liu, D. A. Muller, H. D. Abruña, Nano Lett., 2015, 15, 1343-1348.
-
[70] B. Arumugam, B. Kakade, T. Tamaki, M. Arao, H. Imai, T. Yamaguchi, RSC Adv., 2014, 4, 27510-27517.
-
[71] T. Tamaki, A. Minagawa, B. Arumugam, B. A. Kakade, T. Yamaguchi, J. Power Sources, 2014, 271, 346-353.
-
[72] B. C. Beard, P. N. Ross, J. Electrochem. Soc., 1990, 137, 3368-3374.
-
[73] M. Watanabe, K. Tsurumi, T. Mizukami, T. Nakamura, P. Stonehart, J. Electrochem. Soc., 1994, 141, 2659-2668.
-
[74] X. Li, L. An, X. Wang, F. Li, R. Zou, D. Xia, J. Mater. Chem., 2012, 22, 6047-6052.
-
[75] H. Schulenburg, E. Müller, G. Khelashvili, T. Roser, H. Bönnemann, A. Wokaun, G. G. Scherer, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 4069-4077.
-
[76] Y. Wang, D. Sun, T. Chowdhury, J. S. Wagner, T. J. Kempa, A. S. Hall, J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2342-2347.
-
[77] J. Kim, Y. Lee, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 4996-4997.
-
[78] J. Kim, C. Rong, Y. Lee, J. P. Liu, S. Sun, Chem. Mater., 2008, 20, 7242-7245.
-
[79] Q. Li, L. Wu, G. Wu, D. Su, H. Lv, S. Zhang, W. Zhu, A. Casimir, H. Zhu, A. Mendoza-Garcia, S. Sun, Nano Lett., 2015, 15, 2468-2473.
-
[80] H. Chen, D. Wang, Y. Yu, K. A. Newton, D. A. Muller, H. Abruña, F. J. DiSalvo, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18453-18459.
-
[81] H. Chen, Y. Yu, H. L. Xin, K. A. Newton, M. E. Holtz, D. Wang, D. A. Muller, H. D. Abruña, F. J. DiSalvo, Chem. Mater., 2013, 25, 1436-1442.
-
[82] Z. Cui, H. Chen, W. Zhou, M. Zhao, F. J. DiSalvo, Chem. Mater., 2015, 27, 7538-7545.
-
[83] D. Y. Chung, S. W. Jun, G. Yoon, S. G. Kwon, D. Y. Shin, P. Seo, J. M. Yoo, H. Shin, Y.-H. Chung, H. Kim, B. S. Mun, K.-S. Lee, N.-S. Lee, S. J. Yoo, D.-H. Lim, K. Kang, Y.-E. Sung, T. Hyeon, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 15478-15485.
-
[84] R. R. Adzic, J. Zhang, K. Sasaki, M. B. Vukmirovic, M. Shao, J. X. Wang, A. U. Nilekar, M. Mavrikakis, J. A. Valerio, F. Uribe, Top. Catal., 2007, 46, 249-262.
-
[85] T. Ghosh, M. B. Vukmirovic, F. J. DiSalvo, R. R. Adzic, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 906-907.
-
[86] G. Wang, B. Huang, L. Xiao, Z. Ren, H. Chen, D. Wang, H. D. Abruña, J. Lu, L. Zhuang, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 9643-9649.
-
[87] Q. Jia, K. Caldwell, D. E. Ramaker, J. M. Ziegelbauer, Z. Liu, Z. Yu, M. Trahan, S. Mukerjee, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 20496-20503.
-
[88] J. Li, Z. Xi, Y.-T. Pan, J.S. Spendelow, P. N. Duchesne, D. Su, Q. Li, C. Yu, Z. Yin, B. Shen, Y. S. Kim, P. Zhang, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 2926-2932.
-
[89] J. Li, S. Sharma, X. Liu, Y.-T. Pan, J. S. Spendelow, M. Chi, Y. Jia, P. Zhang, D. A. Cullen, Z. Xi, H. Lin, Z. Yin, B. Shen, M. Muzzio, C. Yu, Y. S. Kim, A. A. Peterson, K. L. More, H. Zhu, S. Sun, Joule, 2018, 3, 124-135.
-
[90] W. Yang, L. Zou, Q. Huang, Z. Zou, Y. Hu, H. Yang, J. Electrochem. Soc., 2017, 164, H331-H337.
-
[91] D. Wang, H. L. Xin, R. Hovden, H. Wang, Y. Yu, D. A. Muller, F. J. DiSalvo, H. D. Abruña, Nat. Mater., 2013, 12, 81-87.
-
[92] S. Prabhudev, M. Bugnet, C. Bock, G.A. Botton, ACS Nano, 2013, 7, 6103-6110.
-
[93] L. Bu, N. Zhang, S. Guo, X. Zhang, J. Li, J. Yao, T. Wu, G. Lu, J.-Y. Ma, D. Su, X. Huang, Science, 2016, 354, 1410-1414.
-
[94] L. Bu, Q. Shao, B. E, J. Guo, J. Yao, X. Huang, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 9576-9582.
-
[95] Z. Yu, J. Zhang, Z. Liu, J. M. Ziegelbauer, H. Xin, I. Dutta, D. A. Muller, F. T. Wagner, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 19877-19885.
-
[96] X.-Y. Lang, G.-F. Han, B.-B. Xiao, L. Gu, Z.-Z. Yang, Z. Wen, Y.-F. Zhu, M. Zhao, J.-C. Li, Q. Jiang, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 230-237.
-
[97] J. S. Spendelow, U.S. DOE 2018 Hydrogen and Fuel Cell Program AMR Proceedings, https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/re-view18/fc161_spendelow_2018_o.pdf, (2018).
-
[98] B. Han, C. E. Carlton, A. Kongkanand, R. S. Kukreja, B. R. Theobald, L. Gan, R. O'Malley, P. Strasser, F. T. Wagner, Y. Shao-Horn, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 258-266.
-
[99] L. Chong, J. Wen, J. Kubal, F. G. Sen, J. Zou, J. Greeley, M. Chan, H. Barkholtz, W. Ding, D.-J. Liu, Science, 2018, 362, 1276-1281.
-
[100] M. Gummalla, S. C. Ball, D. A. Condit, S. Rasouli, K. Yu, P. J. Ferreira, D. J. Myers, Z. Yang, Catalysts, 2015, 5, 926-948.
-
[101] Q. Jia, K. Caldwell, K. Strickland, J. M. Ziegelbauer, Z. Liu, Z. Yu, D. E. Ramaker, S. Mukerjee, ACS Catal., 2015, 5, 176-186.
-
[102] H. Y. Kim, S. Cho, Y. J. Sa, S. M. Hwang, G. G. Park, T. J. Shin, H. Y. Jeong, S. D. Yim, S. H. Joo, Small, 2016, 12, 5347-5353.
-
[103] X. X. Wang, S. Hwang, Y.-T. Pan, K. Chen, Y. He, S. Karakalos, H. Zhang, J. S. Spendelow, D. Su, G. Wu, Nano Lett., 2018, 18, 4163-4171.
-
[104] S. Guo, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 2492-2495.
-
[105] M. Chen, S. Hwang, J. Li, S. Karakalos, K. Chen, Y. He, S. Mukherjee, D. Su, G. Wu, Nanoscale, 2018, 10, 17318-17326.
-
[106] S. Sui, X. Wang, X. Zhou, Y. Su, S. Riffat, C.-J. Liu, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 1808-1825.
-
[107] N. Du, C. Wang, R. Long, Y. Xiong, Nano Res., 2017, 10, 3228-3237.
-
[108] B. Y. Guan, X. Y. Yu, H. B. Wu, X. W. Lou, Adv. Mater., 2017, 29, 1703614.
-
[109] V. Yarlagadda, M. K. Carpenter, T. E. Moylan, R. S. Kukreja, R. Koestner, W. Gu, L. Thompson, A. Kongkanand, ACS Energy Lett., 2018, 3, 618-621.
-
-
扫一扫看文章
计量
- PDF下载量: 25
- 文章访问数: 945
- HTML全文浏览量: 85

下载: