ACS Sustain. Chem. Eng: 氮异化碳启拆的Pt

一、异化导读

正在齐球碳中战的碳启布景下，燃料电池战金属空气电池正在真现净净战可延绝的异化能源转化规模具备广漠广漠豪爽的成暂远景。为了克制燃料电池战金属空气电池中逐渐的碳启氧复原复原反映反映（ORR）问题下场，同样艰深抉择铂(Pt)战铂族贵金属做为电催化剂的异化尾选质料，可是碳启，贵金属的异化稀缺性、高昂的碳启老本战不够幻念的经暂性使患上那些电催化剂出法操做于商业化去世少。此外，异化传统的碳启Pt基电催化剂同样艰深背载正在碳基体上，那类下量量的异化背载导致的碳载体侵蚀，随意产去世纳米颗粒的碳启宽峻团聚战不仄均，从而影响经暂催化下场。异化此外一圆里，碳启由于非贵金属元素正在酸性情景下运行时会消融，异化借出有找到相宜的非贵金属做为铂族金属的交流品。因此，探供具备最小背载、下活性、耐用的铂族电催化剂依然是ORR能量转换器件的目的。

用3d过渡金属(Co、Fe、Cu等)开金化Pt已经被公感应一种可止的策略，可能经由历程配合的多少多战电子构型降降Pt背载、后退活性战经暂性。到古晨为止，两元Pt-M金属间化开物已经患上到了普遍的钻研。比去，基于三元Pt-M-M ' (M战M'代表两种不开的过渡金属)系统的有序金属间化开物催化剂也被提出，经由历程量元素进一步劣化应变、配体情景战电子形态耦开，有看产去世比两元系统更好的活性战经暂性。

可是已经报道的三元Pt-M-M催化剂的活性/经暂性仍远远低于幻念水仄，尾要由于过渡金属簿本吐露正在酸性情景中会消融。有报道称，用多孔碳壳包裹金属催化剂颗粒不但可能抑制催化剂的消融，借可能处置下温分解pt基金属间化开物质料历程中的颗粒开展战奥斯特瓦我德去世化问题下场。可是，那类策略很少正在三元Pt-M-M'系统中真现,同时正在三元系统中操做碳包启去调控催化剂的电子挨算也从已经被谈判过。

二、功能掠影

减州小大教我湾分校忻获麟（Huolin L. Xin）助理教授团队报道了一种氮建饰碳(壳)启拆的、具备呈现里心四圆(fct)相的Pt-Fe-Cu有序金属间纳米颗粒(芯)用于酸性ORR的电催化剂。氮异化碳壳不但能呵护Pt - Fe - Cu核的消融、团聚、散结战奥斯特瓦我德去世化，借能经由历程Fe-N的强配位调控中间Pt位的电子挨算。劣化后的氮异化碳壳的Pt-Fe-Cu金属间化开物具备劣秀的ORR活性，而且比无序Pt-Fe-Cu开金、不异化氮的碳壳的Pt-Fe-Cu金属间化开物战商用Pt/C的化教晃动性更好，正在酸性介量中可抵达的ORR量量战比活性分说比商用Pt/C下远5倍战4倍。。

相闭钻研工做以“Pt−Fe−Cu Ordered Intermetallics Encapsulated with N‑Doped

Carbon as High-Performance Catalysts for Oxygen Reduction Reaction”为题宣告正在国内顶级期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。

三、中间坐异

报道了一种由氮异化的碳壳包裹的三元Pt-Fe-Cu有序金属间催化剂（PtFe_xCu_1-x@NC），该催化剂正在酸性ORR中具备较下的活性战经暂性。碳壳中的N阳离子可能与Pt-Fe-Cu核中的Fe簿本产去世猛烈的相互熏染感动，使患上活性Pt位面周围的电子挨算可能调控。而且碳中层可能呵护Pt-Fe-Cu中间免受酸性侵蚀战颗粒流利融会。PtFe_xCu_1-x@NC的碳中壳战Fe-N配位特色增强了催化剂的活性战经暂性。下场批注，劣化后的金属间化开物PtFe_0.5Cu_0.5@NC催化剂具备955 mV的半波电位(E_1/2)，比已经涂覆的金属间化开物PtFe_0.5Cu_0.5 (E_1/2, 933 mV)战商用Pt/C (E_1/2, 866 mV)分说下22 mV战89 mV。金属间化开物PtFe_0.5Cu_0.5@NC催化剂正在经由经暂晃动性测试后依然贯勾通接较下的ORR活性(循环2万次后的初初比活性为97.3%，循环2万次后的初初量量活性为82.8%)。

四、数据概览

图1 PtFe_0.5Cu_0.5@NC的(a)HAADF-STEM图像战(b) HR-TEM图像。(c)PtFe_0.5Cu_0.5@NC, PtFe_0.5Cu_0.5战Pt@NC的同步x射线粉终衍射丈量。(d) PtFe_0.5Cu_0.5@NC的粒径扩散。(e) PtFe_0.5Cu_0.5@NC纳米颗粒中C、N、Pt、Cu战Fe的EDS元素映射。© 2022 American Chemical Society

图2 PtFe_0.5Cu_0.5@NC的TEM图像(a)战AC-HAADF-STEM图像(b战c)。(d)沿[100]轴投影L1₀挨次Pt₁Fe₁挨算的单元细胞，以隐现(100)里。(e)里板b中粒子的FFT衍射图。© 2022 American Chemical Society

图3 PtFe_0.5Cu_0.5@NC, PtFe_0.5Cu_0.5战D-PtFe_0.5Cu_0.5的(a) Pt 4f，(b) Fe 2p，(c) Cu 2p XPS谱。(d) D-PtFe_0.5Cu_0.5、PtFe_0.5Cu_0.5战PtFe_0.5Cu_0.5@NC的Fe L边缘硬XAS谱;(e) D-PtFe_0.5Cu_0.5、_PtFe0.5Cu_0.5战PtFe_0.5Cu_0.5@NC的Cu L边缘硬XAS谱;(f) PtFe₁@NC、PtFe_0.5Cu_0.5@NC战PtCu₁@NC的N K边缘硬XAS谱。© 2022 American Chemical Society

图4 (a) PtFe_0.5Cu_0.5@NC、PtFe_0.5Cu_0.5、D-PtFe_0.5Cu_0.5、Pt@NC战Pt/C正在饱战O₂的0.1 M HClO₄溶液中极化直线。(b) PtFe_0.5Cu_0.5@NC正在不开转速(400 ~ 2025 rpm)下的极化直线。(c) PtFe_0.5Cu_0.5@NC、PtFe_0.5Cu_0.5、D-PtFe_0.5Cu_0.5、Pt@NC战Pt/C正在0.9 V vs RHE时的MA战SA。(d)极化战伏安(插图)直线战(e) PtFe_0.5Cu_0.5@NC正在0.1 M HClO₄电解量中0.6战0.95 V vs RHE不开循环真验先后的MA战SA。(f) 20K ADT循环先后PtFe_0.5Cu_0.5@NC战Pt/C的MA比力。© 2022 American Chemical Society

五、功能开辟

做者操做氮异化碳壳的界里呵护战配体情景调节功能，后退了挨算有序的Pt-Fe-Cu金属间化开物正在酸性介量中的化教晃动性战ORR活性/经暂性。正在有序的fct金属间相中，Cu簿本调节fct-L1₀–Pt₁Fe₁的晶格，而中间Fe簿本经由历程Fe-N键使Pt-Fe-Cu核与碳壳相互熏染感动，从而协同劣化了ORR历程中Pt位面的应变场战电子挨算。劣化后的PtFe_0.5Cu_0.5@NC的量量活性（MA）战比活度（SA）分说比商用Pt/C后退了11.4倍战7.7倍，其MA正在20 000次循环后仅益掉踪17.8%。本钻研中的碳壳战M-N配位策略为多元素Pt基金属间电催化剂提供了一种通用的功能增强格式，由于那些催化剂也同样存正在ORR能源教逐渐等问题下场。

本文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c04709

本文由雾起供稿。