杨军等：耦合核壳结构与合金效应提升贵金属钯电催化性能

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直接乙醇燃料电池以乙醇作为燃料，具有高能量密度、绿色低毒和便于操作的优点，具有巨大的应用潜力。然而，阳极乙醇电催化氧化反应仍然存在催化剂中毒和乙醇氧化不完全等问题。设计合成更加高效稳定的乙醇氧化电催化剂，对推动直接乙醇燃料电池的发展至关重要。

核壳结构与合金效应相结合提升贵金属钯(Pd)对乙醇电催化氧化反应性能示意图

　　近日，过程工程所杨军研究员团队与南京师范大学徐林副教授合作，将核壳结构与合金效应相结合，优化电子和晶格应变效应，提升了贵金属Pd催化剂的电催化性能，减弱了催化剂的中毒现象，提高了催化剂的活性和稳定性。
　　研究团队在油胺中合成了具有以Au为核，以FePd合金为亚纳米壳层的核壳结构Au@FePd颗粒。具体来说，由于Au和Pd电负性的差异，钯原子的电子结构会发生改变。此外Pd壳层较薄，Au核引起Pd层的晶格膨胀比较明显，这会增强CO等中间产物在催化剂表面的吸附，毒化催化剂的活性位点。而薄壳层中的Fe组分缓解了Pd晶格膨胀现象，使活性组分Pd具有合适的d带中心，有利于乙醇的电催化氧化。在碱性电解质中，当Fe/Pd原子比为0.5/1时，乙醇电催化氧化的活性最高，质量活性为13.3 A mg-1，面积活性为20.2 mA cm-2，均为目前报道的最高值。理论分析也表明，Au@FePd催化剂中的Fe原子可在较低过电位下，更加稳定地吸附OH物种，促进Pd上吸附的CO物种进一步氧化，强调了通过综合优化催化剂几何结构和表面组成从而合成高性能电催化剂的概念。
　　该研究受国家自然科学基金、过程工程所多相复杂系统国家重点实验室和绿色制造产业创新研究院资助，以“Combining the Core-Shell Construction with an Alloying Effect for High Efficiency Ethanol Electrooxidation”为题，于3月1日发表在Cell出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science (Cell Reports Physical Science 2021, 2, 100357. DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100357)，过程工程所博士生刘丹叶为论文第一作者，陈东副研究员为论文共同通讯作者。


        文章来源：过程所
         杨军，中国科学院过程研究所研究员。2006年博士毕业于新加坡国立大学，其间主要从事生物分子启发的燃料电池催化剂组装的研究，探索有效的方法使用DNA互补杂交来组装具有催化活性的金属纳米粒子，包括制备可控形状，尺寸的金属纳米粒子，用互补DNA进行表面修饰和组装以及后续的电化学测定。2006年 2月，进入美国波士顿学院从事博士后研究，主持一个使用DNA为稳定剂制备半导体CdS纳米粒子的研究课题。2007年1月随指导教师Shana O. Kelley教授转入多伦多大学继续博士后研究，发展了一个简单的方法可以在水相和有机相中向PbS纳米粒子上沉积金或银等金属。于2007年获得了新加坡生物工程与纳米技术研究所的Research Scientist职位，并在2010年起担任复合材料用于能源转换研究的课题组长。先后参加了由美国航空部（US Air Force）、美国国立卫生研究院（NIH）、加拿大主席团（Canada Research Chairs）、多伦多大学（Uni. of Toronto）、加拿大创新基金会（Canada Foundation for Innovation）、加拿大自然科学与工程研究理事会（Natural Sciences and Engineering Council of Canada）和新加坡科技部（A*STAR）资助的多个项目研究。2010年6月通过中国科学院“百人计划”回国。研究方向主要为金属、半导体及复合纳米材料、燃料电池、光催化、水处理和环境净化及分离技术，已发表35篇SCI文章，包括Nature Materials, Journal of the American Chemical Society，Journal of Physical Chenistry B 等，还应邀为“Colloid and Surface Research Trends”撰写章节 “Applications of The Phase Transfer of Nanoparticles”，该书已于2007年被Nova Science Publishers出版。
          徐林，南京师范大学副教授，硕士生导师。2010年6月毕业于南京大学化学化工学院，获博士学位。2010年9月-2015年5月先后在美国印第安纳大学和新加坡南洋理工大学从事博士后研究。2015年7月加入南师大化学与材料科学学院。目前主要研究方向为纳米电催化和化学电源。目前主持国家自然科学青年基金，江苏省自然科学基金面上项目和江苏省教育厅自然科学基金面上项目。迄今以一作或通讯作者在Adv. Fuct. Mater., Adv Sci，Applied Catalysis B等期刊发表SCI论文40余篇，相关研究成果被X-mol推送报道。申报国家发明专利6项。