首尔国立大学/中科院过程工程研究所:纳米合金的普适性制备及其电催化应用


纳思达股纳米合金各组分金属间强烈的电子效应可修饰反应物分子在其表面的吸附,进而影响金属纳米合金催化剂的本质催化属性。更多地,对贵金属组分(如Pt、Pd)进行合金化也可有效地降低催化剂中贵金属活性组分的含量,降低催化剂的制备成本。因此,金属纳米合金的设计与调控受到了研究者们广泛的关注。互溶金属组分构成的纳米合金可以通过湿化学方法制备与调控。然而,针对不互溶金属或物理化学性能有显著差异的多种金属构成的合金(高熵纳米合金)的制备仍然面临巨大挑战,且需要突破湿化学法的局限,发展和应用新的制备方式和技术。

最近,韩国首尔国立大学(SNU)的Mansoo Choi教授团队和中国科学院过程工程研究所(IPE,CAS)的杨军教授团队纳思达股合作发展了一种具有较好普适性的制备合金纳米颗粒的“Sparking Mashup”技术,并制备了包括互溶金属,不互溶金属和若干高熵纳米合金在内的平均粒径为5 nm的55种不同的合金纳米颗粒。该制备方式突破了湿化学方法在不互溶金属和高熵纳米合金合成中的局限性,成功地制备出稳定的小尺寸纳米合金,且通过改变和优化实验条件,也能够实现纳米合金在组成和尺寸方面的调控。

图1. 所制备纳米合金的高分辨扫面透射电子显微镜照片和元素分层图像分析。互溶金属 FePd纳米合金(A);不互溶金属IrCu, PtAu,AuW,CuFe,IrAg纳米合金(B-F);三元AuPdPt纳米合金(G);四元AuAgCuPd纳米合金(H)和六元 NiCoMoAgAuCr纳米合金(I)

由于所制备纳米合金超小的颗粒尺寸、不同组分之间的电子效应及颗粒清洁的表面,致使这种方法制备的Pt基或Pd基纳米合金在甲醇和乙醇的电催化氧化中表现出了优异的催化性能。

纳思达股图2. 所制备Pt基纳米颗粒在甲醇氧化反应中的电催化性能。 Pt基金属纳米颗粒的循环伏安扫描曲线(A);甲醇氧化极化曲线(B);用于稳定性测试的计时电流曲线(C);与一些文献中报道的Pt催化剂的性能对比(D)

相关研究成果以“Unconventional Alloys Confined in Nanoparticles: Building Blocks for New Matter”为题发表于Matter杂志(DOI: 10.1016/j.matt.2020.07.027)。在首尔国立大学工作的冯继成博士和中国科学院过程工程研究所陈东副研究员为论文的共同第一作者。

总之,该研究以电火花法为基础,发展出一种普适性的合金纳米颗粒制备与调控技术,所制备出的未经优化的合金纳米颗粒在电催化领域展现出优异的催化性能,这除了得益于其较小的颗粒尺寸和清洁的颗粒表面外,合金不同组分间电子耦合效应也是致使其催化性能提升的关键。这项研究的下一个目标是对含铂或钯的纳米合金进行进一步优化,以提高其在直接醇类燃料电池中的性能。该纳米合金的制备方式有望为燃料电池和其它可再生能源领域创造低成本、高活性和高稳定性的催化剂。

本文由作者团队供稿。

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