黄小青&卜令正等人JACS：单斜相PtTe纳米海参状的高选择性合成用于催化甲酸氧化!

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研究内容

考虑到过度使用传统化石燃料造成的严重能源和环境危机，开发和利用高效清洁能源势在必行，使得各种电化学能源转换技术，如直接醇燃料电池、直接甲酸燃料电池（DFAFCs）和质子交换膜燃料电池等，是非常理想的。在DFAFCs介质中设计具有显著膜电极组件（MEA）性能的高效甲酸氧化反应（FAOR）催化剂是重要但具有挑战性的。

厦门大学黄小青、卜令正和南京理工大学Wei Liu报道了单斜相铂碲纳米海参状状（m-PtTe NT）作为一种具有理想直接反应途径的高活性、选择性和稳定的FAOR催化剂。m-PtTe NT分别表现出6.78 mA cm^-2和3.2 A mg_Pt^-1的高比活性和质量活性，分别是商用Pt/C、菱形相Pt₂Te₃ NT（r-Pt₂Te₃ NT）和三角相PtTe₂NT（t-PtTe₂ NT）的35.7/22.9倍、2.8/2.6倍和3.9/2.9倍。m-PtTe NT也可以实现直接FAOR途径的最高反应趋势和对有毒CO中间体的最佳耐受性。即使在单电池基中，m-PtTe NT也可以显示出比商业Pt/C高得多的MEA功率密度（171.4 mW cm^-2）和稳定性（5660 s后53.2%的电压损失），显示了DFAFCs装置的巨大潜力。相关工作以“Highly Selective Synthesis of Monoclinic-Phased Platinum-Tellurium Nanotrepang for Direct Formic Acid Oxidation Catalysis”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1. 作者成功构建了一类表面不平整、晶相可控的海参状PtTe基纳米材料，即单斜相PtTe纳米孔（m-PtTe NT）、菱形相Pt₂Te₃NT（r-Pt₂Te₃NT）和三角相PtTe₂ NT（t-PtTe₂ NT）。

要点2. 结果表明，相对于rPt₂Te₃ NT和t-PtTe₂NT以及商业Pt/C，m-PtTe NT可以表现出优异的活性、更好的稳定性、更高的反应倾向和增强的FAOR性能。m-PtTe NT/C显示3.2 A mg_Pt^-1和6.78 mA cm^-2的FAOR质量和比活性，分别是商用Pt/C、r-Pt₂Te₃ NT/C和t-PtTe₂NT/C的22.9/35.7、2.6/2.8和2.9/3.9倍。m-PtTe NT/C显示出最高的DRP趋势（1.88），远大于r-Pt₂Te₃NT/C（0.47）、t-PtTe₂NT/C（0.67）和商业Pt/C（0.13）的DRP倾向以及最佳的FAOR稳定性。在复杂的单一DFAFCs条件下，m-PtTe NT/C也可以达到比商用Pt/C高得多的MEA功率密度（171.4 mW cm^-2）和更好的稳定性（在200 mA cm^-2的电流密度下5660 s的电压损耗为53.2%），证明了m-PtTe-NT/C在实际DFAFCs器件中的巨大潜力。

要点3. 原位傅立叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）共同证明，m-PtTe NT独特的结构可以有效抑制脱水途径的发生和CO中间体的吸附，并促进甲酸分子的反应性，从而实现了对CO的高耐受性和FAOR性能的提高。密度泛函理论（DFT）模拟进一步表明，与r-Pt₂Te₃NT和t-PtTe₂ NT表面相比，m-PtTe NT表面可以有效降低甲酸分子分解和氧化的活化能垒，并且反应更倾向于通过m-PtTe NT的脱氢途径发生。与CO的结合较弱，产生CO的活化能相对较高，使m-PtTe NT具有更高的耐中毒性和更好的FAOR活性。

该工作通过相工程策略实现了用于DFAFCs的先进Pt基阳极催化剂的显著FAOR和MEA性能。

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研究图文

图1. m-PtTe NT的形貌和结构表征。

图2. r-Pt₂Te₃NT和t-PtTe₂ NT的结构和组成表征。

图3. m-PtTe NT/C的FAOR和MEA性能评价。

图4. 不同催化剂的XPS和原位FTIR分析。

图5. m-PtTe NT、r-Pt₂Te₃ NT和t-PtTe₂NT的DFT计算。

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文献详情

Highly Selective Synthesis of Monoclinic-Phased Platinum-Tellurium Nanotrepang for Direct Formic Acid Oxidation Catalysis

Chengyuan Dong, Xinyao Wang, Zhipeng Zhu, Changhong Zhan, Xin Lin, Lingzheng Bu,* Jinyu Ye, Yucheng Wang, Wei Liu,* Xiaoqing Huang*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c03317