近日，納米材料領域國際頂級期刊ACS Nano在線發表華中科技大學化學化工學院王得麗教授研究團隊研究成果《Golden Palladium Zinc Ordered Intermetallics as Oxygen Reduction Electrocatalysts》。論文第一作者為2015級博士生肖衛平和美國康奈爾大學的博士生楊堯，王得麗教授為論文唯一通訊作者，華中科技大學為唯一通訊單位。

 

       清潔、高效、可持續能源存儲與轉換裝置勢必在未來能源架構中占據重要地位。其中燃料電池、金屬-空氣電池等以其操作簡單、高效環保等諸多優點在可移動電源領域備受關注。但目前該類電池商業化應用仍然面臨不少問題，比較突出的是電池陰極的氧氣還原反應(0RR)動力學反應速率緩慢，極化過電位大造成了電池輸出功率和效率的大幅降低。尋求高效、穩定且廉價的陰極催化劑是電池走向商業化應用的關鍵所在。王得麗教授團隊致力于低鉑、非鉑類催化劑的設計開發以及構-效關系研究，期望通過理論設計和先進的物理表征手段解析催化劑的結構參數，結合實驗研究揭示構建材料的構-效關系，為相關催化劑的設計、應用提供指導和依據。本研究采用簡單的浸漬還原法以及后續的高溫處理制備出表面富Pd(5-6個原子層厚度)的有序PdZn(O-PdZn)納米催化劑。堿性環境下ORR測試結果表明，相比于Pd/C和Pt/C，該催化劑表現出3倍的質量活性提升。為了更好地提升其循環穩定性，采用自發置換的策略將耐腐蝕的Au原子修飾在催化劑中，結果表明修飾后催化劑(Au-O-PdZn)經30000圈循環之后半波電位僅衰減6 mV。通過將制備的催化劑組裝到鋅空氣電池和鋰-氧電池中進行電化學測試，證明該催化劑具備一定的實際應用潛力。

圖1. Au修飾的O-PdZn有序金屬間化合物催化劑的性能評價與結構分析

 

       2013年初入職以來，王得麗教授課題組在低鉑類催化劑的設計與構效關系研究方面取得系列性研究進展。2018年，課題組在ACS Catalysis發表低鉑類ORR催化劑的設計與構效關系研究邀請綜述(ACS Catal.,2018,8(4), 3237-3256,DOI:10.1021/acscatal.7b04420)。2019年4月5日，課題組繼續在ACS Catalysis雜志上發表題為《One-Nanometer-Thick Pt3Ni Bimetallic Alloy Nanowires Advanced Oxygen Reduction Reaction: Integrating Multiple Advantages into One Catalyst》的研究論文，該論文的第一作者2016級博士龔明星，共同第一作者2015級本科生鄧智平。研究中作者通過簡單的水熱合成方法，引入Ni源并合理調節溶劑極性一步法合成出超細(1 nm)的Pt3Ni雙金屬納米線，模擬結構發現其Pt原子利用率達到50%。同時研究發現，得益于超高的表面Pt原子利用率、超細1D納米線結構以及合金化帶來的電子結構效應、應力效應調控等有效提升了催化劑的ORR催化性能。其他相關的研究成果發表在Nano Energy、Chem.Mater.等雜志上。

圖2. Pt3Ni雙金屬合金納米線的形成機理示意圖

 

       以上工作得到國家自然科學基金、華中科技大學人才引進基金、中組部青年千人計劃、教育部新世紀優秀人才支持計劃等項目的資助。