图4 |两电子ORR活度测量。在0.1 M HClO4中以1600rpm和5 mV s−1的扫描速率记录了Au NPs、L-Au NAs、M-Au NAs和H-Au NAs的线性扫描伏安法，并在固定电位1.2 V vs.RHE下检测了环电极（上面板）上的H2O2电流。b计算电位扫描时H2O2的选择性。c本研究中开发的Au催化剂与文献中最先进的0.1 M HClO4中H2O2催化剂的起始电位和H2O2选择性的比较。d GB密度与双电子ORR活性的相关性，包括起始电位、H2O2选择性、比活性和质量活性。误差栏表示基于至少三个独立测量的标准偏差。e计算得到的双电子生成H2O2的极限势（UL）与*OOH （ΔG*OOH）自由能之间的ORR活火山关系。f计算了Au和晶格扩展Au的反应坐标图。
图5 |电化学稳定性和结构稳定性。a在0.35 v的固定电位下，AuNPs、L-Au NAs、M-Au NAs和H-Au NAs的耐久性测量。b耐久性测试后计算的H2O2选择性。耐久性试验后(c) L-AuNAs和(d) H-Au NAs的HAADF-STEM图像。3D原子图的2nm薄切片层析图（补充图S34， S37）。(e) L-Au NAs和(h) h - au NAs（等积表面>90 at.%）。提取了方框所圈定区域（150 Au原子/nm3等密度表面）的(f) L-Au NAs和(i)H-Au NAs的GB层析图。橙色的球体代表B原子。(g) L-Au NAs和(j) H-Au NAs沿箭头方向确定的Au和B元素的1D组成谱。误差条表示至少三个独立测量值的标准偏差。源数据作为源数据文件提供。
研究人员成功合成了具有可调整晶界(GB)密度的金纳米组合体。通过控制气体流速，研究人员能够控制碰撞发生的频率并调节晶界密度。在碰撞和重新定向过程中，晶界附近会出现缺陷和局部应变。增加流速会导致金纳米组合体内的晶界密度、阶梯、位错、堆积断层和晶格膨胀密度的增加。这种金纳米组合体具有较高的晶界表面密度、较低的配位数和其他结构缺陷，以及晶格膨胀，从而增强了它们的催化性能。与没有晶界的金纳米颗粒相比，这种金纳米组合体的催化性能显著提高，在酸性介质中的活性和选择性方面都超过了其他先进催化剂。实验评估和理论计算证实，晶格扩展、优化的配位数和晶界密度的协同作用有助于提高双电子氧还原反应的性能。此外，研究人员还观察到在晶界上存在分离的硼物种，这提高了金纳米组合体的耐久性。这项研究提出了一种调节晶界密度的方法，开发出了一种高活性、高选择性和高稳定性的双电子氧还原反应催化剂，同时也展示了晶界工程在定制催化剂特性方面的潜力。
Geng, X., Vega-Paredes, M., Wang, Z. et al. Grain boundary engineering for efficient and durable electrocatalysis. Nat Commun 15, 8534 (2024).
DOI: 10.1038/s41467-024-52919-w
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