Angew: 配体效应与缺陷化学协同提升Pt基材料氧还原活性和抗毒化性能

第一作者：叶盛华、陈文达

通讯作者：张黔玲、颜学庆、郑黎荣

通讯单位：深圳大学、北京大学、高能所、湘潭大学、深圳本征方程石墨烯技术股份有限公司

论文DOI：10.1002/anie.202414989

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近日，深圳大学张黔玲教授团队与北京大学颜学庆教授、高能所郑黎荣研究员团队在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为”Harnessing the Synergistic Interplay between Atomic-Scale Vacancies and Ligand Effect to Optimize the Oxygen Reduction Activity and Tolerance Performance”的研究论文，提出在铂颗粒上进行镍掺杂并且同时构建原子尺度缺陷，实现在铂颗粒上同时引入配体效应与应变效应，能够同时有效提升ORR催化活性及一氧化碳和甲醇的耐受性能。

背景介绍

铂基催化剂是目前常用的燃料电池阴极ORR催化剂。然而，铂基催化剂存在成本高昂以及一氧化碳和甲醇耐受能力差而导致的性能和寿命劣化等问题，严重阻碍了燃料电池大规模应用。因此，发展高活性和高耐受能力的氧还原反应催化剂对于燃料电池性能至关重要。通常情况下，利用过渡金属M与铂颗粒合金化可以实现M与Pt之间产生电子转移，即配体效应，从而提升ORR性能。然而，在提高ORR活性的同时也会增加甲醇氧化活性，并导致甲醇穿梭效应更为明显。此外，过渡金属M与铂颗粒合金并不能完全解决铂颗粒一氧化碳中毒问题。近年来，在电催化领域中缺陷位点构建已被证明对电催化析氢、析氧反应有积极效果，如金属空位、氧空位等缺陷位点的构建具有明显影响。然而贵金属铂的缺陷位点较少被关注，因此开发在铂颗粒中构建合适数量和位置的缺陷位点，并研究其对Pt基催化剂性能影响具有重要意义。

本文亮点

1、利用ZIF-8金属-有机框架热解法在石墨烯表面负载了低载量的Pt纳米颗粒，利用ZIF-8前驱体对Ni2+和PtCl62-进行锚定，通过Zn的高温汽化在Pt纳米颗粒中引入晶格缺陷，最终制得石墨烯负载富含缺陷的Ni掺杂Pt纳米颗粒；

2、缺陷引入后，在长程有序范围内Pt的晶格同时存在拉伸和压缩应变，微量Ni的引入在不影响应力效应的情况下引入了配体效应（电子效应），实现了配体效应和应力效应的协同；

3、实验和理论计算表明，缺陷引入导致的长程晶格拉伸及压缩应变提升了铂纳米颗粒抗CO毒化性能和甲醇耐受性能，Ni掺杂有效加速ORR过程中*O向*OH物种的转化，从而提升Pt纳米颗粒的ORR活性。

图文解析

图1 Vac-NiPt NPs/NG的合成过程以及表观结构

图2 Vac-NiPt NPs/NG的同步辐射XAFS以及PDF结果

图3 催化剂的ORR活性与耐久性测试

图4 DFT计算结果

总结与展望

本研究阐述了缺陷位点对于Pt基催化剂性能的影响，并提出缺陷位点引起的晶格拉伸和压缩应变有利于提升Pt基催化剂的抗毒化性能。同时，提出应力效应与配体效应的协同作用作为调节金属基纳米材料电催化活性的全新思路。

文献信息

Harnessing the Synergistic Interplay between Atomic-scale Vacancies and Ligand Effect to Optimize the Oxygen Reduction Activity and Tolerance Performance. Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202414989

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202414989

课题组介绍

深圳大学石墨烯及其复合材料研究中心成立于2020年，隶属于深圳大学化学与环境工程学院，深圳大学刘剑洪教授为研究中心执行主任，中国工程院院士欧阳晓平为研究中心科技顾问。研究中心主要致力于石墨烯及其复合材料的制备合成及其在新能源转化、柔性薄膜器件、抗肿瘤药物以及纳米载药与分子探针等领域的应用研究，涉及化学、材料学、生物学、医学等多个领域。中心研究队伍主要以青年研究人员、博士后和研究生为主，团队目前拥有教师、博士后和研究员10人，在读硕士、博士研究生30多人，并与加拿大西安大略大学孙学良院士拥有长期合作关系。中心目前正在承担国家重大科技专项、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科技发展重大专项、深圳市基础研究重点项目等多项科研任务，具备完善的科研条件和充足的科研经费。欢迎有志于从事相关科研的优秀青年加入课题组。博士后成功申请者的课题研究共同导师包括中国工程院院士欧阳晓平、深圳大学刘剑洪和张黔玲教授。

课题组网站：https://www.szugraphene.com/?researchInterest/

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