铂族金属（PGM）是目前各种可持续能源反应中最活跃的催化剂，然而其高成本使得活性最大化和用量最小化成为新兴技术实际应用的当务之急。
2024年11月12日，太原理工大学郭俊杰教授团队在Advanced Materials期刊发表题为“Greatly Enhanced Oxygen Reduction Reaction in Anion Exchange Membrane Fuel Cell and Zn‐Air Battery via Hole Inner Edge Reconstruction of 2D Pd Nanomesh”的研究论文，团队成员田嘉康/宋艳慧、陕西科技大学Hao Xiaodong为论文共同第一作者，郭俊杰教授、太原理工大学许并社教授、澳大利亚昆士兰科技大学孙子其教授为论文共同通讯作者。
该研究通过一种简单的室温还原方法，以克级产量制备了一种具有暴露高能面和过拉伸晶格参数的孔内重构边缘（HIER）的新型二维钯纳米网结构。HIER提高了Pd在电化学氧还原反应（ORR）中的催化性能，在0.9 VRHE下，其质量活性（MA）为2.672 A mgPd−1，分别是商用Pt/C（0.096 A mgPt−1）和Pd/C（0.113 A mgPd−1）的27.8倍和23.6倍。最重要的是，在氢气-空气阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）和Zn-空气电池（ZAB）应用中，这种独特的Pd催化剂峰值功率密度分别为0.86和0.22 W cm-2，而商用Pt/C催化剂的峰值功率密度分别为0.54和0.13 W cm-2，这表明通过HIER工程在电催化剂设计方面开辟了一条新途径。
DOI：10.1002/adma.202412051
该研究通过一种简便的室温还原方法，以克级产量制造出了具有丰富纳米多孔结构的二维钯纳米片，由孔内重构边缘（HIER）和高活性高能暴露面组成。与纳米网格外缘之间的正常晶格距离相比，在孔的内边缘捕获到了过度拉伸的晶面。除了具有2D材料的优点外，利用HIER构建的纳米多孔结构显著提高了Pd纳米网的催化活性，具有良好的结构稳定性，即使在碱性介质中也具有更强的环境耐久性，并且与商用Pt/C和Pd/C催化剂相比，具有更高的质量活性（MA）和比活性（SA）。具体来说，在0.1 M KOH溶液中，Pd纳米网的质量活性分别比商用Pt/C催化剂和Pd/C催化剂在0.9 VRHE下的ORR催化活性高27.8倍和23.6倍，超过了近年来报道的大多数Pd基催化剂的性能。当组装成锌空气电池（ZAB）电极时，钯纳米网为锌空气电池供电，峰值功率密度为220 mW cm-2，稳定输出超过150小时。令人印象深刻的是，装配有钯纳米网的氢气-空气阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）在高电流密度下具有出色的传质性能，峰值功率密度为0.86 W cm-2。这得益于钯纳米网的多孔结构和高达156.8 m2 gPd−1的ECSA。
总之，该研究通过一种简单的克级室温还原方法，成功地制备了一种二维Pd纳米网，该纳米网在纳米孔周围具有广泛的孔内边缘重构（HIER）现象，具体表现为与正常距离相比，最外层晶面与第二层孔边缘之间的距离被过度拉伸。由于HIER现象的存在，极大地提升了这种新型Pd NM的ORR催化活性。具体来说，与商用Pt/C和Pd/C电催化剂相比，在0.9 VRHE条件下，平均MA为2.672 A mgPd−1，分别是商用Pt/C和Pd/C电催化剂的27.8和23.6倍；平均SA为1.704 A cm−2，分别是商用Pt/C和Pd/C电催化剂的6.3和5.4倍。以Pd NM/C为阴极催化剂组装的阴离子交换膜燃料电池和锌空气电池的峰值功率密度也显著提高，分别为0.86和0.22 W cm−2，而商用Pt/C催化剂的峰值功率密度分别为0.54和0.13 W cm−2。Pd NM的催化性能增强主要归因于纳米孔的引入，这是以下几个关键因素造成的：i) HIER导致d带中心负移，从而优化了中间体吸附，降低了速率决定步骤的能垒；ii) 暴露在纳米孔周围的高能面进一步为催化反应提供了具有高配位数的高活性凹面位点。该研究不仅为促进催化活性的二维多孔材料中的纳米孔提供了一种巧妙的结构和相应的解释，而且为更新最有前途的贵金属基催化剂的能力提供了见解。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
