第一作者：Jiashun Liang, Shenzhou Li, Xuan Liu

通訊作者：李箐

通訊單位：華中科技大學

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貴金屬納米線電催化劑的制備受到面心立方結構熱力學對稱生長的極大限制。本論文提出了一種氣體平衡吸附策略（GBAS），用于制備超薄的鈀（Pd）、鉑（Pt）和金（Au）基納米線（NWs），這些納米線的直徑小于2 nm。通過控制合成過程中現場生成的氫氣（H₂）和一氧化碳（CO）之間的競爭吸附，成功制備了包含3種貴金屬作為宿主元素和14種金屬作為客體元素的43種納米線組合。

其中，含有間隙氫的三元Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線在0.9 V的堿性條件下對氧還原反應（ORR）表現出優異的質量活性（11.1 A mg^-1_PGM）和比活性（13.9 mA cm^-2）。原位X射線吸收光譜（XAS）測量揭示了在應用電位下，Pd-Pd鍵長和應變的變化，表明Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線在相關電位下表現出更大的壓縮應變以及低氧覆蓋率。

理論計算表明，間隙氫誘導了鈀和氫之間的s-d軌道相互作用，從而增強了氧還原反應的活性。此外，Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線在70 °C的無CO的H₂/空氣中的陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）中提供了0.87 W cm^-2的高功率密度。

圖文導讀

圖1：Pd基納米線的形貌表征，包括不同成分的納米線的透射電子顯微鏡（TEM）圖像和高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像。

圖2：Pt基和Au基納米線的形貌表征，包括不同成分的納米線的TEM圖像。

圖3：Pt基、Pd基和Au基納米線庫概況及形成機理。

圖4：PdH_x基納米線的晶體結構表征，包括X射線衍射（XRD）圖譜、X射線吸收近邊結構（XANES）和原子分辨率HAADF-STEM圖像。

圖5：Pd基納米線在0.1 M KOH中的電化學ORR測試結果，包括質量活性、極化曲線、活性比較和間隙氫對活性的影響。

圖6：PdH_x基納米線增強ORR活性的機理研究。

圖7：燃料電池中Pd基和Pt基納米線作為陰極催化劑的性能，包括極化曲線、功率密度和耐久性測試結果。

總結展望

本研究開發了一種通用的氣體平衡吸附策略，用于制備超薄的貴金屬基多金屬納米線庫，包括高熵合金和不相溶合金。通過控制合成過程中的快速成核速率和CO與氫氣的共吸附，打破了面心立方（fcc）晶格的對稱性，實現了納米線的各向異性生長。所制備的Pd基納米線ORR電催化劑，特別是Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線，在0.9 V的堿性條件下展示了卓越的質量活性，是迄今為止性能最佳的ORR電催化劑之一。

原位XAS實驗揭示了催化劑在ORR過程中應變的動態變化，間隙氫的存在顯著提高了催化劑的本征ORR活性。在AEMFCs中，Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線正極實現了0.87 W cm^-2的高功率密度，超過了商業Pt/C 。開發的Pt₇₄Ni₁₇Co₉納米線催化劑在酸性條件下，在PEMFC中實現了高質量活性、電流密度和額定功率密度，且在30,000次循環后性能損失小于15%，超過了美國能源部（DOE）2025年的目標。本工作為生產1D貴金屬基納米線提供了一種新穎且迅速的策略，并為探索其在催化、電子學等領域的應用打開了大門。

文獻信息

標題：Gas-balancing adsorption strategy towards noble-metal-based nanowire electrocatalysts

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01167-8