王得丽团队：PtCu纳米框架结构有序化过程的原位电镜表征

10月6日，应用材料领域国际顶级期刊Appl. Catal. B Environ.在线发表华中科技大学化学与化工学院王得丽教授团队研究成果《Structure Evolution of PtCu Nanoframes from Disordered to Ordered for the Oxygen Reduction Reaction》。论文第一作者为2016级博士生龚明星和北京物理所肖东东博士，王得丽教授和Huolin Xin教授(University of California, Irvine)为论文通讯作者。

高活性、高稳定性ORR催化剂对于燃料电池输出性能和功率密度的提升至关重要。短期内Pt仍是不可替代的活性组分，但受制于其储量、价格、易毒化等因素，如何进一步改性该类材料，提高贵金属Pt原子经济性，提升材料催化活性、循环稳定性是当务之急。过去十年的研究表明，结构、形貌调控可有利于优化贵金属基催化剂的原子利用率以及催化性能，如纳米花状、立方体、棒状、线状和框架结构等均显示出优异的性能，特别是框架结构具有较大的可接触面积和最大化的Pt利用率，是较为理想的ORR催化材料，引起了广泛关注。有鉴于此，王得丽教授团队采用简单的一锅溶剂热法可控合成Pt-Cu纳米框架结构（PtCu NFs）并对其进行了全面的结构表征与分析（如图1），该PtCu NFs表现出较好的ORR催化活性；但由于过渡金属溶解、结构坍塌导致该催化剂的稳定性还不能满足电池长效运行需求。

▲图1. PtCu NFs的结构表征与分析

为进一步提升Pt基合金的抗腐蚀性能，该团队长期以来致力于有序金属间化合物的制备，即将传统的Pt基无序合金转变为有序金属间化合物以进一步优化其活性特别是稳定性。当合金体系中原子间转变为有序相时，Pt-M金属间化合物的稳定性将显著增强，这是由于有序化过程中较大的生成焓和较强Pt(5d)-M(3d)轨道耦合效应导致。在有序Pt3Co、PtFe、PtNi和PtZn金属间化合物中，Co、Fe、Ni和Zn原子在循环过程中溶解程度均得到有效地抑制，表现出增强的抗酸、抗蚀刻化学稳定性，从而大大地提升了其对ORR的耐久性。更重要地是，这种结构中有序核诱导的Pt表层还将进一步促进表层Pt晶格收缩，这对ORR的活性提高至关重要。

为此，该课题组探索出合适的热处理条件，实现了PtCu二元体系中合金相由无序到有序的转变，所得L11-PtCu在酸性环境中经30000圈循环质量活性仅损失15%，大大优于无序态合金。最后，该团队采用三维重构辅助原位加热实验探究了框架结构有序化过程中的结构演变过程，揭示有序过程的驱动力以及过快的原子迁移速率会导致纳米结构的塌陷和聚集，为后续形貌可控的金属间化合物探索制备提供了可视化的理解和指导（如图2）。

▲图2. PtCu NFs原位加热过程中的结构演变的三维重构。

以上工作得到国家自然科学基金、国家留学基金委、华中科技大学人才引进基金、教育部新世纪优秀人才支持计划等项目的资助。

课题组介绍

王得丽，教授，博士生导师，2013年初入职华中科技大学化学与化工学院，建立电化学能源与环境材料实验室。2008年7月博士毕业于武汉大学，博士毕业后先后在新加坡南洋理工大学燃料电池研究中心和在美国康奈尔大学能源材料研究中心做博士后研究工作。多年来一直从事燃料电池电极催化剂以及锂电池电极材料的设计以及性能优化方面的研究。近年来，在Nat.Mater.，Nat. Commun.， JACS， Nano Lett. 等国内外知名学术期刊上发表论文100余篇，获得美国授权发明专利2项，中国发明专利6项，担任《Chinese Chemical Letter中国化学快报》青年编委、《JPHYS.Energy》、Energy&Fuels》、《储能科学与技术》和《Nano Materials Science》编委。课题组隶属于华中科技大学能量转换与存储材料化学教育部重点实验室。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119617

课题组网站：http://deli.chem.hust.edu.cn/