痕量硫掺杂钯纳米片提升氧还原反应性能的机制研究

来自国内的研究人员通过简便的一锅溶剂热法，合成了硫掺杂比例仅为1:100的褶皱状钯纳米片(S0.01-Pd NSs)。该材料在保持原始Pd NSs多晶结构的同时，通过0.83原子%的痕量硫掺杂显著改变了表面电子结构，使氧还原反应(ORR)半波电位提升至0.940V（较未掺杂样品正移12mV）并增强耐久性。密度泛函理论计算揭示，Pd(111)面d带中心随硫掺杂量增加而负移，3S-Pd(111)表面通过优化ORR各步骤自由能实现过电位降低，而4S掺杂会抑制反应进程，为Pd基催化剂设计提供了精准掺杂策略。

　　

科研团队采用巧妙的溶剂热合成策略，制备出硫钯投料比仅为1:100的褶皱状钯纳米片(S_0.01-Pd NSs)。这种具有多晶结构的纳米片与原始钯纳米片形貌几乎无法区分，但0.83原子%的痕量硫掺杂却像"电子调音师"般精准调控了材料表面电子结构。在氧还原反应(ORR)测试中，S_0.01-Pd NSs展现出0.940V的半波电位，比未掺杂样品整整提升了12mV，同时展现出更优异的稳定性。

理论计算揭开了性能提升的分子密码：随着硫原子在Pd(111)晶面的掺入，材料d带中心逐渐向低能级移动。当表面存在3个硫原子时，氧气(O₂)的吸附、活化和氢化过程发生显著变化，ORR反应各步骤的自由能曲线得到优化，从而降低过电位；但当硫掺杂增至4个时，反应反而受到抑制。这种"过犹不及"的现象完美解释了S_0.01-Pd NSs的卓越性能，为设计高效Pd基电催化剂提供了"少即是多"的掺杂新思路。

作者声明无利益冲突。