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研究背景
納米材料在能源轉(zhuǎn)化和儲存領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注，其中，具有結(jié)構(gòu)有序的金屬間化合物納米晶成為了研究的熱點。特別是L10-PtM（M = Fe、Co、Ni等）金屬間化合物納米晶，由于其化學(xué)有序結(jié)構(gòu)和更高的穩(wěn)定性，被認(rèn)為是燃料電池中最優(yōu)秀的電催化劑之一。然而，其實際應(yīng)用面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：高溫退火制備過程（通常>600°C）導(dǎo)致顆粒燒結(jié)、形態(tài)變化和有序度降低，且規(guī)模化生產(chǎn)困難。針對這一問題，華中科技大學(xué)材料學(xué)院教授，新能源材料與器件中心主任李箐教授和北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院郭少軍教授攜手提出了低熔點金屬（如Sn、Ga、In）引發(fā)的鍵強度削弱策略，通過降低合金體系的擴散活化能，促進(jìn)了PtM合金催化劑的有序化過程。以上成果在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Metal bond strength regulation enables large-scale synthesis of intermetallic nanocrystals for practical fuel cells”的最新論文。研究結(jié)果顯示，這一策略使得有序化溫度大幅降低至≤450°C，并成功制備了高鉑含量的L10-PtM金屬間化合物納米晶，為大規(guī)模生產(chǎn)提供了新途徑。
研究亮點
1. 實驗首次提出了一種新方法，即利用低熔點金屬（M' = Sn、Ga、In）引發(fā)的鍵強度削弱策略，以降低合金系統(tǒng)的擴散活化能障礙，促進(jìn)PtM合金催化劑的有序化過程。2. 實驗結(jié)果表明，引入M'可以將有序化溫度降低到極低的450°C以下，實現(xiàn)高鉑含量（≥40wt%）的L10-Pt-M-M'金屬間化合物納米晶的制備，并且成功實現(xiàn)了十克級的大規(guī)模合成。3. 文章通過X射線光譜研究、原位電子顯微鏡和密度泛函理論（DFT）計算等手段，揭示了Sn促進(jìn)的低溫有序化過程的基本機制，包括鍵強度削弱、低配位表面自由原子的形成和擴散，以及隨后的L10成核。4. 制備的L10-Pt-Ni-M'/C和L10-Pt-Co-M'/C催化劑在H2-空氣燃料電池中表現(xiàn)出卓越的活性和穩(wěn)定性，顯示出在實際應(yīng)用中具有很高的潛力。圖1：Pt50M50–xM′x的結(jié)構(gòu)表征。圖2. Pt50Ni35Sn15/C納米晶在相變過程中的X射線光譜。圖3. Pt50Ni35Sn15和Pt50Ni50納米晶在相變過程中的原位加熱HAADF-STEM圖像。圖 5. 不同催化劑的電化學(xué)和燃料電池性能。
總結(jié)展望
本文提出了一種創(chuàng)新的策略，即利用低熔點金屬（如錫）引發(fā)的鍵強度削弱，以降低PtM合金的擴散活化能障礙，從而促進(jìn)其有序化過程。這一策略不僅成功降低了合金的有序化溫度，還實現(xiàn)了高鉑含量Pt基金屬間化合物催化劑的低溫合成。通過理論和實驗驗證，揭示了Sn-facilitated有序化過程的機制，包括表面自由原子的形成和擴散以及L10相成核。這一研究為設(shè)計和制備具有高性能和穩(wěn)定性的Pt基催化劑提供了新的思路和方法。此外，通過在質(zhì)子交換膜燃料電池中的應(yīng)用驗證，展示了這些合金催化劑在實際應(yīng)用中的優(yōu)越性，為燃料電池技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。這一研究成果不僅推動了燃料電池領(lǐng)域的進(jìn)步，也為其他領(lǐng)域的催化劑設(shè)計和合成提供了新的思路和方法，有望推動能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)的實現(xiàn)。
原文詳情：
Liang, J., Wan, Y., Lv, H. et al. Metal bond strength regulation enables large-scale synthesis of intermetallic nanocrystals for practical fuel cells. Nat. Mater. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01901-4
