REVIEW |
|
|
|
|
Boosting Oxygen Reduction Catalysis by Tuning the Dimensionality of Pt-based Nanostructures |
Mingchuan LUO1,Yingjun SUN1,3,Yingnan Yingjun1,3,Yong YANG1,Dong WU4,Shaojun GUO1,2,*( ) |
1 Department of Materials Science & Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China 2 BIC-ESAT, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China 3 College of Chemistry and Molecular Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, Shandong Province, P. R. China 4 Academy for Advanced Interdisciplinary Studies, Peking University, Beijing 100871, P. R. China |
|
|
Abstract The past decade has witnessed tremendous progress in the improvement of the electrocatalytic efficiency of the oxygen reduction reaction (ORR), which is important for the widespread adoption of fuel cells. This review provides an overview of the recent advances in the rational structural design and construction of Pt-based nanocatalysts to achieve higher ORR activity, with an emphasis on tuning the dimensionalities of Pt-based nanocrystals. The advantages and disadvantages of each dimensional catalyst have been discussed. In particular, we focus on a contemporary understanding of the structure-performance relationships based on the combined theoretical and experimental evidence, which can be further applied to guide the search for more exciting catalytic systems. The review concludes with a personal perspective for future research directions.
|
Received: 30 June 2017
Published: 31 August 2017
|
|
Fund: the National Natural Science Foundation of China(51671003);the China Postdoctoral Science Foundation(2017M610022);the National Basic Research Program of China(2016YFB0100201);the Open Project Foundation of State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering, the start-up supports from Peking University;the Young Thousand Talented Program, China |
Corresponding Authors:
Shaojun GUO
E-mail: guosj@pku.edu.cn
|
|
1 | Gasteiger H. A. ; Markovic N. M. Science 2009, 324, 48. | 2 | Mayrhofer K. J. ; Arenz M. Nat. Chem. 2009, 1, 518. | 3 | Debe M. K. Nature 2012, 486, 43. | 4 | Shao M. ; Chang Q. ; Dodelet J. P. ; Chenitz R. Chem. Rev. 2016, 116, 3594. | 5 | Bezerra C. W. B. ; Zhang L. ; Liu H. ; Lee K. ; Marques A. L. B. ; Marques E. P. ; Wang H. ; Zhang J. J. Power Sources 2007, 173, 891. | 6 | Stephens I. E. ; Rossmeisl J. ; Chorkendorff I. Science 2016, 354, 1378. | 7 | He T. ; Kreidler E. ; Xiong L. ; Luo J. ; Zhong C. J. J. Electrochem. Soc. 2006, 153, A1637. | 8 | Yoshida T. ; Kojima K. Electrochem. Soc. Interface 2015, 24, 45. | 9 | Stephens I. E. L. ; Bondarenko A. S. ; Gr?nbjerg U. ; Rossmeisl J. ; Chorkendorff I. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6744. | 10 | Stamenkovic V. R. ; Mun B. S. ; Arenz M. ; Mayrhofer K. J. ; Lucas C. A. ; Wang G. ; Ross P. N. ; Markovic N. M. Nat. Mater. 2007, 6, 241. | 11 | Seh Z. W. ; Kibsgaard J. ; Dickens C. F. ; Chorkendorff I. ; Norskov J. K. ; Jaramillo T. F. Science 2017, 355. | 12 | Norskov J. K. ; Bligaard T. ; Rossmeisl J. ; Christensen C. H. Nat. Chem. 2009, 1, 37. | 13 | Zhou Z. Y. ; Tian N. ; Li J. T. ; Broadwell I. ; Sun S. G. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 4167. | 14 | Wang Y. J. ; Zhao N. ; Fang B. ; Li H. ; Bi X. T. ; Wang H. Chem. Rev. 2015, 115, 3433. | 15 | Guo S. ; Zhang S. ; Sun S. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8526. | 16 | Yang H. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2674. | 17 | Zhu H. ; Luo M. C. ; Cai Y. Z. ; Sun Z. N. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 2462. | 17 | 朱红; 骆明川; 蔡业政; 孙照楠. 物理化学学报, 2016, 32, 2462. | 18 | Zhang J. ; Mo Y. ; Vukmirovic M. B. ; Klie R. ; Sasaki K. ; Adzic R. R. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 10955. | 19 | Zhang J. ; Vukmirovic M. B. ; Xu Y. ; Mavrikakis M. ; Adzic R. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 2132. | 20 | Adzic R. R. ; Zhang J. ; Sasaki K. ; Vukmirovic M. B. ; Shao M. ; Wang J. X. ; Nilekar A. U. ; Mavrikakis M. ; Valerio J. A. ; Uribe F. Top. Catal. 2007, 46, 249. | 21 | Shao M. ; Sasaki K. ; Marinkovic N. ; Zhang L. ; Adzic R. Electrochem. Commun. 2007, 9, 2848. | 22 | Zhou W. P. ; Yang X. ; Vukmirovic M. B. ; Koel B. E. ; Jiao J. ; Peng G. ; Mavrikakis M. ; Adzic R. R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12755. | 23 | Gong K. ; Su D. ; Adzic R. R. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14364. | 24 | Sasaki K. ; Naohara H. ; Cai Y. ; Choi Y. M. ; Liu P. ; Vukmirovic M. B. ; Wang J. X. ; Adzic R. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 8602. | 25 | Koenigsmann C. ; Santulli A. C. ; Gong K. ; Vukmirovic M. B. ; Zhou W. P. ; Sutter E. ; Wong S. S. ; Adzic R. R. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9783. | 26 | Adzic R. R. Electrocatalysis-Us 2012, 3, 163. | 27 | Kuttiyiel K. A. ; Sasaki K. ; Choi Y. ; Su D. ; Liu P. ; Adzic R. R. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 5297. | 28 | Chen S. ; Ferreira P. J. ; Sheng W. ; Yabuuchi N. ; Allard L. F. ; Shao-Horn Y. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13818. | 29 | Van der Vliet D. F. ; Wang C. ; Li D. ; Paulikas A. P. ; Greeley J. ; Rankin R. B. ; Strmcnik D. ; Tripkovic D. ; Markovic N. M. ; Stamenkovic V. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3139. | 30 | Chi M. ; Wang C. ; Lei Y. ; Wang G. ; Li D. ; More K. L. ; Lupini A. ; Allard L. F. ; Markovic N. M. ; Stamenkovic V. R. Nat. Commun. 2015, 6, 8925. | 31 | Stamenkovic V. R. ; Mun B. S. ; Mayrhofer K. J. ; Ross P. N. ; Markovic N. M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 8813. | 32 | Stamenkovic V. R. ; Fowler B. ; Mun B. S. ; Wang G. ; Ross P. N. ; Lucas C. A. ; Markovic N. M. Science 2007, 315, 493. | 33 | Zhu H. ; Luo M. ; Zhang S. ; Wei L. ; Wang F. ; Wang Z. ; Wei Y. ; Han K. Int. J. Hydrogen Energy 2013, 38, 3323. | 34 | Srivastava R. ; Mani P. ; Hahn N. ; Strasser P. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 8988. | 35 | Hasché F. ; Oezaslan M. ; Strasser P. Chemcatchem 2011, 3, 1805. | 36 | Cui C. ; Ahmadi M. ; Behafarid F. ; Gan L. ; Neumann M. ; Heggen M. ; Cuenya B. R. ; Strasser P. Faraday Discuss. 2013, 162, 91. | 37 | Yu Z. ; Zhang J. ; Liu Z. ; Ziegelbauer J. M. ; Xin H. ; Dutta I. ; Muller D. A. ; Wagner F. T. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 19877. | 38 | Snyder J. ; McCue I. ; Livi K. ; Erlebacher J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8633. | 39 | Strasser P. ; Kühl S. Nano Energy 2016, 29, 362. | 40 | Gan L. ; Heggen M. ; O'Malley R. ; Theobald B. ; Strasser P. Nano Lett. 2013, 13, 1131. | 41 | Strasser P. ; Koh S. ; Anniyev T. ; Greeley J. ; More K. ; Yu C. F. ; Liu Z. C. ; Kaya S. ; Nordlund D. ; Ogasawara H. ; Toney M. F. ; Nilsson A. Nat. Chem. 2010, 2, 454. | 42 | Wang D. ; Zhao P. ; Li Y. Sci. Rep-Uk 2011, 1, 37. | 43 | Ulrikkeholm E. T. ; Pedersen A. F. ; Vej-Hansen U. G. ; Escudero-Escribano M. ; Stephens I. E. L. ; Friebel D. ; Mehta A. ; Schi?tz J. ; Feidenhansl R. K. ; Nilsson A. ; Chorkendorff I. Surf. Sci. 2016, 652, 114. | 44 | Pedersen A. F. ; Ulrikkeholm E. T. ; Escudero-Escribano M. ; Johansson T. P. ; Malacrida P. ; Pedersen C. M. ; Hansen M. H. ; Jensen K. D. ; Rossmeisl J. ; Friebel D. ; Nilsson A. ; Chorkendorff I. ; Stephens I. E. L. Nano Energy 2016, 29, 249. | 45 | Escudero-Escribano M. ; Malacrida P. ; Hansen M. H. ; Vej-Hansen U. G. ; Velazquez-Palenzuela A. ; Tripkovic V. ; Schiotz J. ; Rossmeisl J. ; Stephens I. E. ; Chorkendorff I. Science 2016, 352, 73. | 46 | Velázquez-Palenzuela A. ; Masini F. ; Pedersen A. F. ; Escudero-Escribano M. ; Deiana D. ; Malacrida P. ; Hansen T. W. ; Friebel D. ; Nilsson A. ; Stephens I. E. L. ; Chorkendorff I. J. Catal. 2015, 328, 297. | 47 | Malacrida P. ; Casalongue H. G. ; Masini F. ; Kaya S. ; Hernandez-Fernandez P. ; Deiana D. ; Ogasawara H. ; Stephens I. E. ; Nilsson A. ; Chorkendorff I. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 28121. | 48 | Malacrida P. ; Escudero-Escribano M. ; Verdaguer-Casadevall A. ; Stephens I. E. L. ; Chorkendorff I. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 4234. | 49 | Hernandez-Fernandez P. ; Masini F. ; McCarthy D. N. ; Strebel C. E. ; Friebel D. ; Deiana D. ; Malacrida P. ; Nierhoff A. ; Bodin A. ; Wise A. M. ; Nielsen J. H. ; Hansen T. W. ; Nilsson A. ; Stephens I. E. L. ; Chorkendorff I. Nat. Chem. 2014, 6, 732. | 50 | Stephens I. E. L. ; Bondarenko A. S. ; Bech L. ; Chorkendorff I. ChemCatChem 2012, 4, 341. | 51 | Escudero-Escribano M. ; Verdaguer-Casadevall A. ; Malacrida P. ; Gronbjerg U. ; Knudsen B. P. ; Jepsen A. K. ; Rossmeisl J. ; Stephens I. E. ; Chorkendorff I. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16476. | 52 | Strasser P. Science 2015, 349, 379. | 53 | Kongkanand A. ; Mathias M. F. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 1127. | 54 | Xia Y. ; Xiong Y. ; Lim B. ; Skrabalak S. E. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 60. | 55 | Gilroy K. D. ; Ruditskiy A. ; Peng H. C. ; Qin D. ; Xia Y. Chem. Rev 2016, 116, 10414. | 56 | Ferrando R. ; Jellinek J. ; Johnston R. L. Chem. Rev. 2008, 108, 845. | 57 | Wu J. ; Yang H. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1848. | 58 | Perez-Alonso F. J. ; McCarthy D. N. ; Nierhoff A. ; Hernandez-Fernandez P. ; Strebel C. ; Stephens I. E. ; Nielsen J. H. ; Chorkendorff I. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4641. | 59 | Wang C. ; Daimon H. ; Onodera T. ; Koda T. ; Sun S. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3588. | 60 | Huang X. Q. ; Zhao Z. P. ; Cao L. ; Chen Y. ; Zhu E. B. ; Lin Z. Y. ; Li M. F. ; Yan A. M. ; Zettl A. ; Wang Y. M. ; Duan X. F. ; Mueller T. ; Huang Y. Science 2015, 348, 1230. | 61 | N?rskov J. K. ; Rossmeisl J. ; Logadottir A. ; Lindqvist L. ; Kitchin J. R. ; Bligaard T. ; Jónsson H. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 17886. | 62 | Zhang J. ; Yang H. ; Fang J. ; Zou S. Nano Lett. 2010, 10, 638. | 63 | Wu J. ; Gross A. ; Yang H. Nano Lett. 2011, 11, 798. | 64 | Greeley J. ; Stephens I. E. ; Bondarenko A. S. ; Johansson T. P. ; Hansen H. A. ; Jaramillo T. F. ; Rossmeisl J. ; Chorkendorff I. ; Norskov J. K. Nat. Chem. 2009, 1, 552. | 65 | Yang S. ; Liu F. ; Wu C. ; Yang S. Small 2016, 12, 4028. | 66 | Wang W. ; Lv F. ; Lei B. ; Wan S. ; Luo M. ; Guo S. Adv. Mater. 2016, 28, 10117. | 67 | Kwon S. G. ; Hyeon T. Small 2011, 7, 2685. | 68 | Bu L. ; Ding J. ; Guo S. ; Zhang X. ; Su D. ; Zhu X. ; Yao J. ; Guo J. ; Lu G. ; Huang X. Adv. Mater. 2015, 27, 7204. | 69 | Bu L. ; Guo S. ; Zhang X. ; Shen X. ; Su D. ; Lu G. ; Zhu X. ; Yao J. ; Guo J. ; Huang X. Nat. Commun. 2016, 7, 11850. | 70 | Guo S. ; Li D. ; Zhu H. ; Zhang S. ; Markovic N. M. ; Stamenkovic V. R. ; Sun S. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3465. | 71 | Guo S. ; Zhang S. ; Su D. ; Sun S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13879. | 72 | Jiang K. ; Zhao D. ; Guo S. ; Zhang X. ; Zhu X. ; Guo J. ; Lu G. ; Huang X. Sci. Adv. 2017, 3, e1601705. | 73 | Li M. F. ; Zhao Z. P. ; Cheng T. ; Fortunelli A. ; Chen C. Y. ; Yu R. ; Zhang Q. H. ; Gu L. ; Merinov B. V. ; Lin Z. Y. ; Zhu E. B. ; Ted Yu T. ; Jia Q. Y. ; Guo J. H. ; Zhang L. ; Goddard III W. A. ; Huang Y. ; Duan X. F. Science 2016, 354, 1414. | 74 | Fortunelli A. ; Goddard Iii W. A. ; Sementa L. ; Barcaro G. ; Negreiros F. R. ; Jaramillo-Botero A. Chem. Sci. 2015, 6, 3915. | 75 | Chen Z. ; Waje M. ; Li W. ; Yan Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 119, 4138. | 76 | Novoselov K. S. ; Geim A. K. ; Morozov S. V. ; Jiang D. ; Zhang Y. ; Dubonos S. V. ; Grigorieva I. V. ; Firsov A. A. Science 2004, 306, 666. | 77 | Zhang H. ACS Nano 2015, 9, 9451. | 78 | Cheong W. C. ; Liu C. ; Jiang M. ; Duan H. ; Wang D. ; Chen C. ; Li Y. Nano Res. 2016, 9, 2244. | 79 | Funatsu A. ; Tateishi H. ; Hatakeyama K. ; Fukunaga Y. ; Taniguchi T. ; Koinuma M. ; Matsuura H. ; Matsumoto Y. Chem. Commun. 2014, 50, 8503. | 80 | Bu L. Z. ; Zhang N. ; Guo S. J. ; Zhang X. ; Li J. ; Yao J. L. ; Wu T. ; Lu G. ; Ma J. Y. ; Su D. ; Huang X. Q. Science 2016, 354, 1410. | 81 | Xia Y. ; Yang X. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 450. | 82 | Nesselberger M. ; Ashton S. ; Meier J. C. ; Katsounaros I. ; Mayrhofer K. J. ; Arenz M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 17428. | 83 | Zhang L. ; Roling L. T. ; Wang X. ; Vara M. ; Chi M. F. ; Liu J. Y. ; Choi S. ; Park J. B. ; Herron J. A. ; Xie Z. X. ; Mavrikakis M. ; Xia Y. N. Science 2015, 349, 412. | 84 | Skrabalak S. E. ; Au L. ; Li X. ; Xia Y. Nat. Protoc. 2007, 2, 2182. | 85 | Xia X. ; Xie S. ; Liu M. ; Peng H. C. ; Lu N. ; Wang J. ; Kim M. J. ; Xia Y. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, 6669. | 86 | Wang X. ; Figueroa-Cosme L. ; Yang X. ; Luo M. ; Liu J. ; Xie Z. ; Xia Y. Nano Lett. 2016, 16, 1467. | 87 | Chen C. ; Kang Y. J. ; Huo Z. Y. ; Zhu Z. W. ; Huang W. Y. ; Xin H. L. ; Snyder J. D. ; Li D. G. ; Herron J. A. ; Mavrikakis M. ; Chi M. F. ; More K. L. ; Li Y. D. ; Markovic N. M. ; Somorjai G. A. ; Yang P. D. ; Stamenkovic V. R. Science 2014, 343, 1339. | 88 | Ding J. ; Bu L. ; Guo S. ; Zhao Z. ; Zhu E. ; Huang Y. ; Huang X. Nano Lett. 2016, 16, 2762. | 89 | Zhu C. ; Du D. ; Eychmuller A. ; Lin Y. Chem. Rev. 2015, 115, 8896. | 90 | Erlebacher J. ; Aziz M. J. ; Karma A. ; Dimitrov N. ; Sieradzki K. Nature 2001, 410, 450. | 91 | Oezaslan M. ; Hasché F. ; Strasser P. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3273. | 92 | Oezaslan M. ; Heggen M. ; Strasser P. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 514. | 93 | Han B. ; Carlton C. E. ; Kongkanand A. ; Kukreja R. S. ; Theobald B. R. ; Gan L. ; O'Malley R. ; Strasser P. ; Wagner F. T. ; Shao-Horn Y. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 258. | 94 | Snyder J. ; Livi K. ; Erlebacher J. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 5494. | 95 | Snyder J. ; Fujita T. ; Chen M. W. ; Erlebacher J. Nat. Mater. 2010, 9, 904. | 96 | Alia S. M. ; Zhang G. ; Kisailus D. ; Li D. ; Gu S. ; Jensen K. ; Yan Y. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3742. | 97 | Todoroki N. ; Kato T. ; Hayashi T. ; Takahashi S. ; Wadayama T. ACS Catal. 2015, 5, 2209- 2212. | 98 | Lim B. ; Xia Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 76. | 99 | Lim B. ; Jiang M. ; Camargo P. H. ; Cho E. C. ; Tao J. ; Lu X. ; Zhu Y. ; Xia Y. Science 2009, 324, 1302. | 100 | Huang X. ; Zhu E. ; Chen Y. ; Li Y. ; Chiu C. Y. ; Xu Y. ; Lin Z. ; Duan X. ; Huang Y. Adv. Mater. 2013, 25, 2974. | 101 | Sun S. ; Zhang G. ; Geng D. ; Chen Y. ; Li R. ; Cai M. ; Sun X. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 422. |
|
|
Viewed |
|
|
|
Full text
|
|
|
|
|
Abstract
|
|
|
|
|
Cited |
|
|
|
|
|
Shared |
|
|
|
|
|
Discussed |
|
|
|
|