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在碱性环境下，氢氧化反应（HOR）的动力学进程迟缓，这一特性严重阻碍了碱性燃料电池及电化学氨压缩机技术的广泛推广。尽管传统的铂基催化剂展现出了卓越的催化活性，但其高昂的成本却成为了大规模应用的重大障碍。为了克服这一挑战，本研究创新性地采用了一种策略：利用钯-钌（Pd-Ru）双金属组合对铂催化剂表面进行修饰。这一方法不仅显著增强了HOR的反应性能，而且有效地避免了催化剂电化学活性表面积（ECSA）的缩减，从而在提升铂催化剂质量活性的同时，也为降低应用成本开辟了新途径。
成果简介
研究揭示，采用钯-钌双金属修饰的铂催化剂（Pd-Ru@Pt）展现出了极高的交换电流密度，并且在经历长期运行后，其耐久性依然卓越。借助高分辨率扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）技术和X射线吸收精细结构（EXAFS）分析手段，研究证实了Pd-Ru双金属在Pt表面的分布呈现出均匀的修饰结构。进一步地，基于密度泛函理论（DFT）与从头算分子动力学（AIMD）的模拟研究，科学家们发现，Pd和Ru原子倾向于优先吸附于Pt的（110）晶面上，这种特定的修饰方式显著地降低了氢气解离的能垒，从而加速了氢氧化反应的进程。
研究亮点
1.Pd-Ru修饰增强HOR活性
研究表明，采用Pd-Ru双金属修饰的Pt催化剂，在碱性环境下的质量交换电流密度相较于未修饰的Pt催化剂提升了7.7倍，彰显出其在活性上的巨大飞跃。
2.结构与热力学稳固性
Pd与Ru原子更倾向于锚定在Pt表面的凹槽部位，构建出稳定的Pd-Ru@Pt结构。这种独特的排布方式极大地削弱了催化剂颗粒间的团聚倾向，确保了结构的长期稳定性。
3.动力学优化
借助DFT计算和AIMD模拟的深入探究，研究揭示了Pd-Ru修饰如何有效地削减了氢气解离的能量障碍，进而加速了HOR的反应动力学过程。
4.电化学持久性
经过在碱性介质中进行的10,000次加速耐久性测试，Pd-Ru@Pt催化剂的表面积和质量交换电流密度依旧远超未修饰的Pt催化剂，充分证明了其卓越的长期电化学稳定性。
配图精析
图1: Pt与Pd-Ru@Pt表面氢氧化反应示意图
此图展示了Pd-Ru修饰如何增进Pt表面上Hads（吸附态氢）与OHads（吸附态氢氧根）的可获取性，进而提升氢氧化反应（HOR）的比催化活性，同时确保电化学活性表面积（ECSA）得以维持。
图2: Pd-Ru@Pt催化剂的合成流程及结构特性分析
(a) 展示了Pd-Ru@Pt催化剂通过化学气相沉积（CVD）方法的合成流程图。
(b-d) 提供了Pd-Ru@Pt催化剂中Pt、Pd和Ru元素的EXAFS（X射线吸收精细结构）光谱图，这些光谱图清晰地揭示了Pd-Ru双金属对Pt表面的有效修饰与覆盖情况。
图3: Pd-Ru@Pt的结构特性展示
(a) 呈现了Pd-Ru@Pt的HAADF-STEM（高分辨率角分辨扫描透射电子显微镜）图像，直观显示了Pt表面经Pd-Ru原子修饰的情况。
(b) 展示了图像强度沿箭头方向的线性分布图，该图清晰地表明Pd-Ru原子位于催化剂颗粒的最外层。
(c) 提供了Pd-Ru@Pt颗粒的元素分布图，进一步验证了Pd-Ru@Pt结构的准确性和完整性。
本研究通过在Pt纳米颗粒的表层巧妙地引入Pd-Ru双金属对，成功地实现了碱性介质中氢氧化反应催化活性的显著提升，同时展现出了卓越的耐久性。这一创新性的策略不仅深化了我们对电催化剂性能优化机制的理解，更为开发高性能且成本效益显著的电催化剂开辟了新的路径。这一研究成果有望为燃料电池技术的升级、电化学合成工艺的优化等多个领域带来革命性的进展，推动这些领域向更高效、更环保的方向发展。
标题: Pd-Ru pair on Pt surface for promoting hydrogen oxidation and evolution in alkaline media
期刊: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-024-51480-w
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51480-w
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