破纪录的甲酸电催化氧化 Pd 位点的工程拓扑和化学无序

文摘   2024-11-15 09:10   广东  

文章简介

设计钯基甲酸氧化反应 (FAOR) 催化剂以在催化活性、途径选择性和抗毒性方面取得重大突破既紧迫又具有挑战性。在这里,通过开创一种结合了拓扑和化学无序的新型催化剂设计来解决这些挑战,开发了一类具有多孔网络 (Net-Pd-HEAA) 的新型 PdCuLaYMnW 高熵非晶合金作为高活性、选择性和稳定的 FAOR 电催化剂。这种新型 Net-Pd-HEAA 展示了创纪录的 FAOR 性能,分别实现了 5.94 A mgPd-1 和 8.94 mA cm-2 的质量和比活性,超过了所有以前报道的 Pd 基催化剂,并显示出与先进 Pt 基催化剂的强大竞争力。同时,Net-Pd-HEAA 在加速耐久性测试 (ADT) 和计时安培法 (CA) 测试中表现出非凡的稳定性。先进的表征和原位光谱分析表明,极度无序的原子结构有效地调节了 Pd 位点的几何和电子结构,增强了活性中间体覆盖,促进了脱氢途径,并抑制了 CO 的产生/吸附。此外,当用作质子交换膜水电解 (PEMWE) 中的阳极催化剂时,Net-Pd-HEAA 只需要 1.28 V 的电位即可获得 1 A cm-2 的电流密度,并在高腐蚀性电解质中稳定运行超过 100 小时。

研究亮点 

  • 不同于无序Pd基合金(固溶体),所制备的反钙钛矿型PdFe3N金属间化合物具有有序的原子排列,可以产生孤立Pd位点,可以保护表面不受CO前体和CO中毒的影响,促进FAOR并且,N元素的间插可以形成稳定的金属-N键,增强PdFe3N在酸性条件下的稳定性。
  • 得益于PdFe3N优异的抗CO能力和抗Fe解能力,所设计PdFe3N/N-rGO表现出优异的FAOR活性及稳定性。其FAOR质量比活性高达826.8 mA mgPd−1,并且稳定性测试表明在1000次循环后质量比活性仅损失9.2%,相较于PdFe3/rGOPd/C均有明显提升。
  • DFT计算表明,原子有序的PdFe3N(111)可以提供孤立且有序的活性Pd位点,Fe的引入则可以优化PdFe3N的电子结构,降低CO的结合能力,提高反应条件下甲酸盐覆盖率,从而抑制PdFe3N表面由于CO的形成和累积导致的中毒。而有序的Fe-N共价键可以提高Fe空位形成能(Ev(Fe))PdFe3N(111)平均结合能,优化酸性条件下的Fe抗溶性和结构稳定性
图文信息

图 1.催化剂的形态和结构表征

图 2.FAOR对催化剂的性能评价

 图 3.电子结构表征

图 4.机制研究。

图 5.FAOR 辅助反应器设计和性能。

结论

总之,通过将拓扑和化学无序集成到催化剂设计中,我们成功地构建了独特的 Net Pd-HEAA 电催化剂。这种新颖的催化剂设计具有多孔网络、非晶结构和多组分合金,为 FAOR 提供了前所未有的催化性能和稳定性。令人印象深刻的是,Net-Pd-HEAA 表现出创纪录的 5.94 A mgPd -1 质量活性和 8.94 mA cm-2 的比活性,超过了所有以前报道的基于 Pd 的催化剂,并显示出与先进的基于 Pt 的替代品的强大竞争。此外,Net-Pd-HEAA 的质量活性在 1000 个 CV 循环后为 5.52 A mgPd -1,在 5000 s 的 CA 测试后为 0.49 A mgPd -1。先进的表征技术,包括 XPS、XAS、原位 FTIR 和原位拉曼光谱,揭示了 Net-Pd-HEAA 中的拓扑和化学无序,并优化了 Pd 位点的几何和电子结构。这导致活性中间体的高覆盖率、主要的脱氢途径和改进的 CO 氧化。作为实际演示,Net-Pd-HEAA 被认为有望用于 FAOR 辅助的 PEMWE,在 1.28 V 的低电位下实现 1 A cm-2 的电流密度,并在高腐蚀性环境中稳定运行超过 100 小时。这种方法为开发高性能催化剂提供了一条有前途的途径,可能为未来的电催化创新铺平道路。

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