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[交大智慧]交大团队成果助研高稳定性燃料电池纳米电催化剂[图]
[发布时间]: 2018年03月16日
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[责任编辑]: 史文博 孙佳

[编者按]一百多年来,交大人用知识和智慧创造累累硕果,谱写了近现代史上的诸多“第一”。这是人才培养的智慧、科学研究的智慧、服务社会的智慧、为国争光的智慧。新闻网特推出“交大智慧”专栏,聚焦交大人的智慧之光,展现交大人为国家发展和社会进步作出的重大贡献。

最近,上海交通大学材料科学与工程学院邓涛团队的邬剑波研究小组在燃料电池纳米电催化剂的原位液相腐蚀研究上取得重要进展。该团队利用透射电子显微镜实时研究燃料电池催化剂腐蚀动态过程,揭示了催化剂在电催化反应应用中的性能失活机理,对设计高稳定性的催化剂有着重要的指导意义。其相关研究成果“Nanoscale Kinetics of Asymmetrical Corrosion in Core-shell Nanoparticles”(DOI: 10.1038/s41467-018-03372-z)以上海交大为第一单位发表于Nature Communications杂志。   

随着近年来燃料电池的急速发展,急迫需要寻求一种高活性和高稳定性的燃料电池催化剂。但是高活性催化剂多数是利用活泼金属与铂合金化,形成金属二元或者多元的固溶体或者核壳结构,伴随着电催化反应的进行会出现活泼金属组分大量持续的腐蚀析出现象,从而破坏了最优合金组分,大大降低了金属催化剂的反应活性,严重影响催化剂稳定性,这使得研究燃料电池腐蚀演化过程和机理非常必要。   

研究团队利用原位透射电子显微镜技术,在液相中实时观察三种不同结构(无缺陷的、角缺陷、面缺陷)的Pd@Pt立方体电催化剂的腐蚀过程。研究发现电偶腐蚀和卤素腐蚀两种腐蚀模式共同导致了颗粒内部Pd核的腐蚀溶解并最终形成Pt立方体外壳。进一步的研究表明,电偶腐蚀优先发生在配位数较低表面能较高的角处区域,呈现由角向中心方向的缓慢腐蚀;卤素腐蚀是由周围液相环境中的Br-离子导致的沿着缺陷方向的快速腐蚀,且其与电偶腐蚀之间存在着竞争与制约的关系。研究发现通过对表面缺陷的抑制控制是提高这类原子层核壳电催化剂由于腐蚀导致的稳定性的关键,该研究对设计高稳定性的燃料电池催化剂有着重要的指导意义,开辟了利用原位表征技术研究催化剂稳定性的新手段。

图1Pd@Pt纳米立方体颗粒在TEM液相环境下的三种原位腐蚀

(a)无缺陷 (b)有角缺陷 (c)有面缺陷   

图2 三种Pd@Pt纳米立方体颗粒的腐蚀速率比较

该研究是邬剑波博士继在Advanced Materials和ACS Nano等权威期刊上发表原位观察Pt纳米线的气相生长、Pt纳米颗粒的腐蚀等工作后的又一研究成果。上海交通大学材料科学与工程学院的邬剑波特别研究员,浙江大学材料科学与工程学院的张辉教授和美国加州大学尔湾分校的潘晓晴教授为本论文的共同通讯作者,上海交通大学材料科学与工程学院的博士研究生陕皓和美国加州大学尔湾分校的高文旆博士为本论文的共同第一作者。    

上述研究得到中组部“青年千人计划”、中组部“万人计划”青年拔尖人才、国家重点研发计划、国家自然科学基金、美国国家自然基金等项目的资助。    

相关论文链接

1、https://www.nature.com/articles/s41467-018-03372-z

2、http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201602519/full

3、http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703460/full

4、

 

[作者]: 陕皓 聂文洁 
[摄影]:
[供稿单位]: 材料科学与工程学院
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