用于高效氧还原反应的亚晶格间随机分布的Pt(Co,Ni)合金纳米粒子催化剂

《Advanced Energy Materials》：Inter-Sublattice Random Pt(Co,Ni) Alloy Nanoparticle Catalysts for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction

Pt-M合金催化剂的结构有序性限制其电子可调性，本研究通过异质外延生长引入Ni形成子晶格无序分布，优化d带填充和吸附能，提升氧还原活性与耐久性，并揭示子晶格无序与Pt皮肤协同稳定表面机制，固态合成实现量产。

　　

摘要

基于铂（Pt）的金属间化合物催化剂中严格的原子排列虽然增强了结构稳定性，但本质上限制了局部电子的可调性和组成的灵活性。这些限制阻碍了在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的动态电化学条件下的催化剂优化。为了解决这一问题，本文提出了一种子晶格随机（ISR）合金策略，该策略将原子级别的组成无序性融入到结构有序的Pt–M（M = Co, Ni）框架中。通过两步异质外延生长方法，将Ni原子引入PtCo金属间化合物籽晶的M子晶格中，从而形成了一种同时保持晶体有序性和Co/Ni分布随机性的催化剂。这种有序-无序的双重结构使得结构对称性与化学复杂性分离，实现了精确的电子调控和反应适应性。这种ISR催化剂表现出优化的d带填充和中间态结合能力，其氧还原（ORR）活性和耐久性超过了美国能源部（DOE）为2025年设定的PEMFC目标。结合原位微观观察、同步辐射光谱和密度泛函理论（DFT）计算进行的机理分析表明，子晶格无序性和Pt表面的形成协同稳定了表面结构并调节了吸附能量。这项工作确立了在金属间化合物结构中进行子晶格级无序工程化设计作为一种有前景的合成策略，用于开发稳健且可调的电催化剂。此外，固态合成方法使得催化剂可以大规模生产，从而适用于广泛的PEMFC应用。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。