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廈大/南理工JACS:對(duì)Pt-Te催化劑進(jìn)行晶相調(diào)控,助力高選擇性直接甲酸氧化反應(yīng)

廈大/南理工JACS:對(duì)Pt-Te催化劑進(jìn)行晶相調(diào)控,助力高選擇性直接甲酸氧化反應(yīng)
與其他燃料相比,以甲酸為燃料的直接甲酸燃料電池(DFAFCs)具有能量密度高、安全性好,以及最大電壓高等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。除了這些固有的優(yōu)點(diǎn),開(kāi)發(fā)高效的甲酸氧化反應(yīng)(FAOR)催化劑也可以提高DFAFC的性能。
一般而言,常用的FAOR催化劑是鈀(Pd)和鉑(Pt)基納米材料。但Pd基催化劑除了活性相對(duì)較低外,其化學(xué)穩(wěn)定性和催化耐久性也比Pt基催化劑差,這主要是由于Pd元素在酸性和電化學(xué)腐蝕條件下的溶解造成的。
盡管近年來(lái)Pd基催化劑得到了廣泛的研究,但是并沒(méi)有解決其抗中毒性差的關(guān)鍵問(wèn)題,同時(shí)也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在惡劣的MEA介質(zhì)中顯著的功率密度/壽命。因此,這要求人們不斷探索新型高性能的用于FAOR的Pt基納米材料。
廈大/南理工JACS:對(duì)Pt-Te催化劑進(jìn)行晶相調(diào)控,助力高選擇性直接甲酸氧化反應(yīng)
廈大/南理工JACS:對(duì)Pt-Te催化劑進(jìn)行晶相調(diào)控,助力高選擇性直接甲酸氧化反應(yīng)
近日,廈門(mén)大學(xué)黃小青卜令正南京理工大學(xué)劉偉等成功構(gòu)建了一類表面凹凸不平、晶相可控的海綿狀PtTe基納米材料,即單斜相PtTe納米環(huán)(m-PtTe NT)、斜方六面體相Pt2Te3 NT(r-Pt2Te3 NT)和三方相PtTe2 NT(t-PtTe2 NT),并研究了其FAOR性能。
結(jié)果表明,與商業(yè)Pt/C、r-Pt2Te3 NT和t-PtTe2 NT相比,m-PtTe NT具有更高的活性、更好的穩(wěn)定性和更好的抗中毒性能。同時(shí),m-PtTe NT/C具有最高的DRP趨勢(shì)(1.88),遠(yuǎn)大于r-Pt2Te3 NT/C(0.47)、t-PtTe2 NT/C (0.67)和商業(yè)Pt/C(0.13),并具有最好的FAOR穩(wěn)定性。
廈大/南理工JACS:對(duì)Pt-Te催化劑進(jìn)行晶相調(diào)控,助力高選擇性直接甲酸氧化反應(yīng)
廈大/南理工JACS:對(duì)Pt-Te催化劑進(jìn)行晶相調(diào)控,助力高選擇性直接甲酸氧化反應(yīng)
原位FTIR和XPS結(jié)果表明,m-PtTe NT獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠有效抑制脫水反應(yīng)途徑的發(fā)生和CO中間體的吸附,同時(shí)促進(jìn)對(duì)甲酸的活化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CO的高耐受性和改善FAOR性能。更重要的是,即使在復(fù)雜的單一DFAFC條件下,m-PtTe NT/C也能達(dá)到比商業(yè)Pt/C更高的MEA功率密度(171.4 mW cm-2)和更好的穩(wěn)定性(在200 mA cm-2下運(yùn)行5660 s,電壓損失53.2%),證明了m-PtTe NT/C在實(shí)際DFAFC器件中的巨大潛力。
此外,密度泛函理論(DFT)計(jì)算進(jìn)一步表明,與r-Pt2Te3 NT和t-PtTe2 NT表面相比,m-PtTe NT表面能有效降低甲酸分子分解和氧化的活化能壘,且反應(yīng)更傾向于通過(guò)m-PtTe NT的脫氫途徑進(jìn)行;并且,m-PtTe NT與CO的結(jié)合能力較弱,產(chǎn)生CO的活化能相對(duì)較高,因此具有較高的毒性耐受性和較好的FAOR活性。綜上,該項(xiàng)工作報(bào)道了一種實(shí)現(xiàn)優(yōu)異催化性能的晶相調(diào)控策略,為設(shè)計(jì)高性能的燃料電池Pt基催化劑提供了方向。
Highly Selective Synthesis of Monoclinic-Phased Platinum–Tellurium Nanotrepang for Direct Formic Acid Oxidation Catalysis. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c03317

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