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Small Methods:超薄PdCu纳米片作为甲酸盐氧化反应和氧还原反应的双功能电催化剂

直接液体燃料电池(DLFC)具有高功率密度、环境友好和可持续发展等优点,被认为是缓解碳排放和能源枯竭问题的绿色能源载体之一。其中,碱性直接液体燃料电池因其比酸性燃料电池具有更快的动力学效应以及更高的效率而受到越来越多的关注。

特别是直接甲酸盐燃料电池(DFFCs),作为一种很有前景的能量转换装置却由于阴极反应(氧还原反应,ORR)和阳极反应(甲酸盐氧化反应,FOR)的效率低和动力学缓慢,而具有功率密度和电流密度低等问题,因此,开发高效、稳定的DFFCs阴极、阳极催化剂至关重要。

基于此,西安交通大学李印实等人采用油浴还原法在温和条件下合成了结构可控的三维花朵状的PdCu纳米片(NS)催化剂,并且可以作为DFFCs的双功能电催化剂。

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本文在相同的电化学测试条件下,通过循环伏安法(CV)测试评价了制备的PdM(M=Cu,Ni,和Co)纳米片催化剂的FOR活性。测试结果表明,PdCu纳米片的ECSA值(198.73 m2 gPd-1)大大高于商业Pd/C(16.03 m2 gPd-1)。此外,在1 M KOH+1 M HCOOK中,PdCu纳米片催化剂的质量活性显著提高,分别是PdCo,PdNi,Pd纳米片和Pd/C的1.36,1.75,3.67和9.2倍。

结果表明,PdCu纳米片的质量活性在5种催化剂中占主导地位。作为甲酸盐燃料电池的阴极反应,催化剂的ORR性能也具有重要的研究意义。因此,本文在O2饱和的0.1 M KOH电解质中测试了制备的催化剂的ORR性能。根据测试发现,Pd/C的起始电位(Eo)和半波电位(E1/2)分别为0.88和0.78 V,极限电流密度(Jlim)为5 mA cm-2。通过铜原子的掺杂和自组装的纳米片结构,PdCu纳米片催化剂的ORR活性显著增强,对应的Eo和E1/2分别为0.90 V和0.868 V,Jlim为5.49 mA cm-2。与商业Pd/C催化剂相比,PdCu纳米片催化剂表现出明显的正电位偏移和更高的极限电流密度。

此外,PdCu纳米片催化剂的ORR性能与Pt/C催化剂相当。更重要的是,由PdCu纳米片催化剂组成的DFFCs显示出较大的开路电压和更高的峰值功率密度。以上结果均证明PdCu纳米片状催化剂具有优异的催化活性,并且有实用的潜力。

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对于催化剂的催化机理,本文结合了其他表征手段进行了深入分析。根据X射线光电子能谱(XPS)可以发现,与商业Pd/C催化剂相比,PdCu的结合能发生了正位移,这意味着Pd和Cu之间发生了电子转移。峰的正移可能是由于Pd和Cu,相互作用引起的d带中心的移动和电子云密度的变化,这可能极大地促进了催化剂电催化性能的提升。

此外,根据XPS还可以看出,PdCu纳米片催化剂的Pd原子和Cu原子的存在主要以金属态为主,高比例的Pd0可以增加PdCu纳米片的游离Pd位点的数量,使反应物分子与Pd活性位点有更多的接触,从而改善催化剂的催化性能。

简而言之,具有高Pd原子配位的PdCu纳米片结构催化剂能够很好地促进小分子的吸附和活化,从而具有优异的电催化性能。

结合XPS等表征结果以及电化学测试结果,本文得出了以下结论:由于制备的PdCu纳米片催化剂具有独特的三维纳米片结构和较大的表面积,且Pd能带中心向下移动,因此制备的PdCu纳米片催化剂的FOR和ORR性能优于商业Pd/C和Pt/C催化剂。总之,这项工作为提高非Pt基纳米催化剂的催化性能提供了一种潜在的策略。

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Ultrathin PdCu nanosheet as bifunctional electrocatalysts for formate oxidation reaction and oxygen reduction reaction, Small Methods2023, DOI: 10.1002/smtd.202300021.

https://doi.org/10.1002/smtd.202300021.



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