《Advanced Materials》：Crn纳米颗粒催化剂的外延超薄铂原子层！

铂（Pt）基催化剂广泛应用于各种选择性转化，包括氢化反应、氧化反应和电催化（如氢进化/氧化反应、氧还原反应、甲酸氧化反应等）。然而，铂基催化剂的高成本和稀缺性限制了其大规模生产和商业应用。为了提高铂的利用效率并降低催化剂成本，研究人员目前正在寻求开发表面金属原子比例较高的铂催化剂。实现这一目标的有效策略是在导电载体表面形成由超薄铂原子层组成的铂表层结构，这样既能增加铂活性位点（即表面原子）的数量，又能保持重要的金属-金属键。另外，在贵金属或其合金表面直接外延生长铂原子层的方法也已得到证实。构建铂（Pt）原子层是提高电催化中铂原子利用效率的有效策略，因此对于降低各种能源储存和转换装置的资本成本非常重要。然而，用于生长铂原子层的基底大多局限于贵金属及其合金，这不利于降低催化剂成本。

来自中国科学院理化技术研究所的学者利用低成本的氮化铬（CrN）作为载体，通过简单的热氨溶方法负载外延超薄铂原子层。由于 CrN 对铂原子层的强锚定和电子调控作用，获得的 Pt-ALs/CrN 电催化剂（含有缺电子铂位点）在甲酸氧化反应中表现出优异的活性和耐久性，其质量活性为 5.17 A mgPt-1，是商用Pt/C 催化剂的 13.6 倍。这一新颖的策略表明，CrN可替代贵金属作为构建铂原子层催化剂的低成本基底。相关工作以题为“Epitaxial Ultrathin Pt Atomic Layers on Crn Nanoparticles Catalysts”的研究性文章发表在Advanced Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202309251

图 1. (a) 不同基底上的铂原子层示意图。(b) Pt-ALs/CrN 的制备示意图。(c) Pt-ALs/CrN 的 XRD 图。(d) CrN 和 (e) Pt 的晶体结构。

图 2. Pt-ALs/CrN 的形态特征和结构分析。(a) Pt-ALs/CrN 的 TEM 图像。(b) Pt-ALs/CrN 的相差校正 HAADF-STEM 图像。(c) Pt-ALs/CrN 沿 [01-1] 区轴线的像差校正高分辨率 HAADF-STEM 图像。(d) 分别取自 (c) 中选定的橙色和蓝色区域的铂原子层和铬N 的强度剖面图。

图 3. 在 300 ℃ 下进行 H2 处理 1 小时后，(a) Pt-NPs/CrN、(b) Pt-ALs/CrN 和 (c) Pt-ALs/CrN 的铂 4f XPS 图谱。

图 4. (a) 在 N2 饱和的 0.1 M HClO4 和 1 MHCOOH 混合溶液中，以 20 mV s-1 的扫描速率对 Pt-ALs/CrN、Pt-NPs/CrN 和 Pt/C 上的FAOR 进行铂质量归一化的阳极扫描极化曲线。(b) Pt-ALs/CrN、Pt-NPs/CrN 和 Pt/C 在(a) 中第一个峰计算出的铂质量归一化活性，对应于 HCOOH 直接氧化成 CO2。(c) 200、400、600、800、1000 和 2000 个循环后记录的 Pt-ALs/CrN 的 ADT 和 Pt 质量归一化阳极扫描极化曲线。

图 5. 在 N2饱和的 0.1 M HClO4 溶液中，(a) Pt/C、(b) Pt-NPs/CrN 和 (c) Pt-ALs/CrN 的 CO-TPD 曲线。(d) Pt-ALs/CrN 和 Pt-NPs/CrN 的CO-TPD 曲线。

由于铂和铬的晶体结构相似且晶格匹配良好，铂原子层在铬上外延生长。铂原子层在 CrN 纳米粒子上形成了 2 至 4 个原子层厚度的连续铂层，由于金属与支撑物之间的相互作用很强，铂原子层中主要含有阳离子铂。Pt-ALs/CrN 在 FAOR 方面的表现优于商用 Pt/C 催化剂和 Pt-NPs/CrN 催化剂，其质量活性高达 5.17 A mgPt-1。出色的电催化性能归因于 Pt-ALs/CrN 表面的缺电子铂位点（由 CrN 的强电子抽离效应引起）减弱了对 CO 的吸附。铂原子与 CrN 支持物之间的强界面接触也赋予了 Pt-ALs/CrN 极好的耐久性。结果表明，以惰性金属合金的原子层位为低成本氮化物支撑物表面是合理设计用于 FAOR 及其他应用的高效且价格合理的贵金属电催化剂的有效策略。（文：SSC）

声明：本文来自微信公众号“材料科学与工程”。转载请联系并保留此说明框。