第一作者：Lei Zhang
通讯作者：Xueliang Sun
通讯单位：Department of Mechanical and Materials Engineering, The University of Western Ontario, London, ON, N6A 5B9, Canada
研究内容：
铂基催化剂作为阳极和阴极的关键成分已广泛应用于燃料电池中。然而，由于Pt纳米颗粒分散在碳载体上的商业Pt / C催化剂在燃料电池运行期间由于奥斯特瓦尔德熟化效应，Pt纳米颗粒的脱离和附聚而显示出差的耐久性。在这里，我们首次展示了分子层沉积（MLD）稳定Pt催化剂的应用。通过在MLD衍生的中间层上沉积Pt颗粒进行原子层沉积（ALD），与不使用MLD中间层的情况相比，Pt催化剂显示出显着增强的氧还原反应（ORR）活性和耐久性。带有丰富孔的MLD衍生表面有助于锚定Pt纳米颗粒，并避免附聚或从表面位置脱离。此外，X射线吸收光谱（XAS）结果表明，Pt在MLD衍生的中间层上的沉积导致电子从Pt转移到衬底，从而导致Pt d轨道中电子的数量减少。此外，扩展的X射线吸收精细结构（EXAFS）结果表明Pt通过在源自MLD的NCNT上沉积，缩短了Pt键的距离，从而提高了Pt催化剂的活性。这项工作为通过MLD技术稳定Pt催化剂提供了一条新途径。
要点一：
作者展示了使用MLD铝酮作为涂层材料来改善Li-S电池中阴极碳/硫以及阳极钠的电化学性能。铝化铂纳米颗粒在800°C的空气中焙烧时表现出更稳定的性能。对MLD层进行退火，制备的MLD碳基中间层具有多孔结构，有利于Pt催化剂的锚定，避免表面结块或脱离表面位置。
要点二：
铂催化剂可以通过ALD法成功地沉积在多层膜衍生的表面。与纯NCNT催化剂上的铂相比，NCNT-MLD-铂显示出显著增强的ORR活性和耐久性。具有富集孔的多层膜衍生表面有助于固定铂颗粒以避免团聚和分离。
要点三：
铂在多层膜衍生的中间层上的沉积诱导了铂向基底的电子转移，并减小了铂-铂键的距离，从而提高了铂催化剂的活性。
NCNT-MLD-Pt催化剂制备过程示意图
图1. (a，b)在400℃退火3小时后，NCNT-30LD样品的典型扫描电镜和透射电镜图像(C)退火后的NCNT-30LD的高分辨透射电镜图像显示形成了非晶多层膜。退火的NCNT-30MLD的STEM图像，显示了纳米碳管上的多孔结构。(e)N2吸附-解吸等温线和(f)通过NCNT的Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法和退火的NCNT-30MLD样品获得的孔径分布数据。
图2. (a)NCNT-MLD-铂催化剂的低分辨率扫描电镜图像。(b)NCNT-MLD-铂催化剂的典型透射电镜图像。(c)NCNT-MLD-铂催化剂的高分辨透射电子显微镜图像显示铂纳米粒子在纳米碳纳米管上形成。(d)一个非传染性非传染性疾病多金属结核铂催化剂的HAADF-STEM图像和相应的HAADF-STEM-EDS元素图。
图3. (a)在0.05至1.10伏的电位范围内的CV曲线；(b)与商业铂/碳催化剂相比，NCNT-MLD-铂催化剂和NCNT-铂催化剂的ORR极化曲线。电流密度标准化为RDE的几何面积(0.196 cm2)。(c)比活性和(d)质量活性，分别以相对于催化剂的电化学活性和铂的质量标准化的动力学电流密度给出。
图4. NCNT-MLD-Pt和NCNT-Pt催化剂的x射线吸收研究及与铂箔的比较。(a)铂L3边缘的归一化XANES光谱和(b)来自EXAFS的K3加权傅里叶变换光谱。(a)中的插图显示了铂L3边缘的放大光谱。(c–e)在样品的R空间中安装EXAFS:NCNT-MLD-Pt、NCNT-Pt和铂箔。
图5. (a)加速耐久性试验前后NCNT-MLD-Pt和NCNT-Pt催化剂的电子控制系统。(b)NCNT-MLD-Pt催化剂在10000和20000次循环加速耐久性试验后的ORR极化曲线。(c)NCNT-铂催化剂在10000和20000次循环加速耐久性试验后的奥尔极化曲线。电流密度(j)相对于RDE的几何面积(0.196 cm2)归一化。加速耐久性试验前后催化剂的质量活度(0.9 VRHE)。
参考文献
Zhang, L., et al. “Rational design of porous structures via molecular layer deposition as an effective stabilizer for enhancing Pt ORR performance.” Nano Energy 60 (2020) 111-118.
