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氧还原反应（ORR）是燃料电池等清洁能源技术的核心反应，但实现高效稳定的催化剂仍然具有挑战性。传统的Pt基催化剂存在耐久性差的问题，主要由于在酸性环境下易发生过渡金属的溶解。而PtM二硫属化物（M=S, Se, Te）因其独特的二维结构、稳定性和高活性原子位置，成为新型电催化材料的研究重点。本研究通过电化学循环激活PtSe₂缺陷结构（DEF-PtSe₂），成功构建出一种高效且极为耐用的ORR催化剂。该催化剂在经过126,000次循环后，依旧展现出优异的催化性能和稳定性。
成果简介
本研究展示了缺陷PtSe₂结构在氧气饱和电解质中的电化学重组过程。经42,000次循环后，DEF-PtSe₂的比活性和质量活性分别达到了商业Pt/C催化剂的1.3倍和2.6倍。经过126,000次循环后，其催化活性几乎没有衰减。量子力学计算表明，这种性能提升主要来自Pt纳米颗粒与PtSe₂表面顶端活性位点的协同作用。该研究为开发耐用的ORR催化剂提供了新的思路。
研究亮点
创新性的催化剂重组策略：通过电化学循环重构PtSe₂晶体表面的缺陷，提高了活性位点的利用效率。
超长耐久性：DEF-PtSe₂在极端的酸性氧化环境下保持了超过126,000次循环的稳定性，远超传统催化剂。
理论与实验结合：量子计算揭示了Pt纳米颗粒与PtSe₂缺陷位点协同作用的微观机制，解释了该催化剂的超高活性。
配图精析
图1：DEF-PtSe₂的结构与组成示意图。展示了通过在PtSe₂中引入缺陷并进行42,000次电化学循环形成的核心-壳层结构，其中Pt纳米颗粒构成壳层，PtSe₂晶体为核心。
图2：DEF-PtSe₂在不同反应条件下的高分辨率透射电子显微镜图像，展示了电化学活化过程中Se的逐步流失，形成稳定的Pt壳层结构，增强了ORR性能。
图3：电化学表征结果，展示了DEF-PtSe₂的半波电位、Tafel曲线以及电化学表面活性面积的变化。
图4：DEF-PtSe₂的形成机制。原位拉曼光谱表明，DEF-PtSe₂在氧饱和的酸性条件下，通过选择性地氧化和重组Se物种形成了活性Pt位点。
图5：抗毒性测试。与传统Pt/C催化剂相比，DEF-PtSe₂在甲醇和CO等毒性物质存在的条件下表现出优异的抗中毒能力。
图6：电子属性计算及自由能图。量子计算结果显示，DEF-PtSe₂对O₂的结合能高于CO和CH₃OH，解释了其优异的抗中毒性能和氧还原反应活性。
展望
本研究提出了一种创新性的PtSe₂缺陷重组策略，通过电化学循环将PtSe₂表面缺陷转化为活性位点，显著提升了催化剂的ORR活性与耐久性。未来，随着该方法的优化和更多表征手段的加入，DEF-PtSe₂有望成为燃料电池和其他清洁能源系统中的关键催化材料。
文献信息
期刊：Nature Materials
DOI：10.1038/s41563-024-02020-w
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-02020-w
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