内核含Pd的Pt基核壳结构电催化剂

doi:10.3866/PKU.WHXB201611071

物理化学学报 >> 2017, Vol. 33 >> Issue (2): 283-294.doi: 10.3866/PKU.WHXB201611071

内核含Pd的Pt基核壳结构电催化剂

吕洋¹,宋玉江¹,刘会园^1,^2,³,李焕巧²()

¹ 大连理工大学化工学院,精细化工国家重点实验室,辽宁大连116024
² 中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连116023
³ 中国科学院大学,北京100049

收稿日期:2016-08-08 发布日期:2017-01-12
通讯作者: 李焕巧 E-mail:yjsong@dlut.edu.cn
作者简介:吕洋,1988年生。2013年硕士毕业于辽宁师范大学化学化工学院无机化学专业,2015年至今就读于大连理工大学化工与环境生命学部化学工程专业全日制非定向博士研究生。主要研究方向为燃料电池Pt基电催化剂|宋玉江,1975年生。2000年硕士毕业于吉林大学无机化学专业,2004年博士毕业于美国新墨西哥大学物理化学专业。2005-2009年先后为美国能源部圣迪亚国家实验室博士后、副研究员。2010年为中国科学院大连化学物理研究所研究员。2015年至今为大连理工大学化学工程系教授。主要研究方向为高效低铂、非铂电催化剂,CO₂电催化转化制备小分子燃料和低温直接生物质燃料电池|刘会园,1990年生。2012年本科毕业于青岛科技大学材料科学与工程学院材料化学专业,2012年至今为中国科学院大连化学物理研究所物理化学专业博士研究生。主要研究方向为燃料电池有序化膜电极|李焕巧,1980年生。2001年本科毕业于青岛科技大学应用化学专业,2008年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所物理化学专业。2009年8月底赴香港大学化学系从事博士后研究。现为中国科学院大连化学物理研究所副研究员。主要研究方向为燃料电池膜电极. E-mail:yjsong@dlut.edu.cn;Tel:+86-411-84986485
基金资助:
国家重点研发计划(2016YFB0101307);国家重点基础研究发展计划（973）(2012CB215502);国家自然科学基金(21003114，21103163，21306188，21373211，21306187);辽宁省百千万人才工程(201519);辽宁省高校优秀人才计划(LR2015014);大连市优秀青年科技人才(2015R006);中央高校基本科研基金(DUT15RC（3）001，DUT15ZD225)

Pd-Containing Core/Pt-Based Shell Structured Electrocatalysts

Yang Lü¹,Yu-Jiang SONG¹,Hui-Yuan LIU^1,^2,³,Huan-Qiao LI²()

¹ State Key Laboratory of Fine Chemicals, School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, P. R. China
² Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning Province, P. R. China
³ University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China

Received:2016-08-08 Published:2017-01-12
Contact: Huan-Qiao LI E-mail:yjsong@dlut.edu.cn
Supported by:
The project was supported by the National Key Research & Development Program of China(2016YFB0101307);National Key Basic Research Program of China (973)(2012CB215502);National Natural Science Foundation of China(21003114，21103163，21306188，21373211，21306187);Liaoning BaiQianWan Talents Program, China(201519);Program for Liaoning Excellent Talents in University, China(LR2015014);Dalian Excellent Young Scientific and Technological Talents, China(2015R006);Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(DUT15RC（3）001，DUT15ZD225)

摘要/Abstract

摘要：

燃料电池汽车已被确立为我国的战略性新兴产业，目前正处于大规模商业化的前夜，铂基电催化剂作为质子交换膜燃料电池的核心材料之一，其活性、耐久性和成本制约着这一洁净能源技术的进一步发展。高性能低铂核壳电催化剂被广泛认为有望解决这一瓶颈问题，虽然国内外在这一领域的研究取得了诸多重要的进展，但是仍存在着制备过程复杂、非铂贵金属内核尺寸较大及核壳结构宏观表征困难等问题。本文介绍两种相对简单、易放大的制备方法，即一锅法和液相合成结合区域选择原子层气相沉积法，均获得了性能优良的Pd₃Au@Pt/C核壳结构电催化剂，Pd₃Au内核尺寸控制在约5 nm，并利用循环伏安测试和甲酸氧化反应从宏观角度研究了铂层在内核表面的覆盖情况，探索了含钯核壳结构电催化剂的新型宏观表征方法。

关键词: 质子交换膜燃料电池, 核壳结构电催化剂, 氧还原反应, 甲酸氧化反应, 耐久性

Abstract:

Fuel cell vehicles (FCVs) have been a burgeoning industry in China, and are currently on the verge of widespread commercialization. The platinum-based electrocatalyst is one of the key materials in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). The relatively low activity and durability, and high cost of the electrocatalyst impede the further development of PEMFCs as a clean energy technology. It has been widely anticipated that core-shell structured low-platinum electrocatalysts with high performance toward oxygen reduction reaction (ORR) will eventually resolve this bottleneck issue. Regardless of significant progress, there are still many remaining issues, such as complicated synthesis route, the large sizes of core materials like Pd, and lack of macroscopic characterization of the core-shell structures. Herein, we introduce two new synthetic methods (one pot synthesis and regioselective atomic layer deposition (ALD) combined with a wet chemical method) for the fabrication of core-shell structured Pd₃Au@Pt/C electrocatalysts with high ORR performance. These two synthetic approaches allow us to well control the diameter of the core nanoparticle to around 5 nm. Cyclic voltammetry (CV) and formic acid oxidation reaction (FAOR) were found to be suitable for investigating the integrity of the Pt shell on the core particles. This work represents a new avenue for the macroscopic characterization of the core-shell structured electrocatalysts with Pd or Pd alloy as the core material.

Key words: Proton exchange membrane fuel cell, Core-shell structured electrocatalyst, Oxygen reduction reaction, Formic acid oxidation reaction, Durability

吕洋,宋玉江,刘会园,李焕巧. 内核含Pd的Pt基核壳结构电催化剂[J]. 物理化学学报, 2017, 33(2), 283-294. doi: 10.3866/PKU.WHXB201611071

Yang Lü,Yu-Jiang SONG,Hui-Yuan LIU,Huan-Qiao LI. Pd-Containing Core/Pt-Based Shell Structured Electrocatalysts[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33(2), 283-294. doi: 10.3866/PKU.WHXB201611071

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201611071

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I2/283

参考文献

1	Yi B.L. Beijing: Chemical Industry Press, 2003, 5- 8.
1	衣宝廉. 燃料电池——原理、技术、应用, 北京: 化学工业出版社, 2003, 5- 8.
2	TollefsonJ. Nature 2010, 464, 1262.
3	Debe M.K. Nature 2012, 486, 43.
4	https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review15/fc000_papageorgopoulos_2015_o.pdf (accessed Aug 5, 2016)
5	Xia W. ; Mahmood A. ; Liang Z. B. ; Zou R. Q. ; Guo S. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 2650.
6	Nie Y. ; Li L. ; Wei Z.D. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 2168.
7	Li S. S. ; Liu H. Y. ; Wang Y. ; Xu W. ; Li J. ; Liu Y. ; Guo X.W. ; Song Y. J. RSC Adv. 2015, 5, 8787.
8	Li J. ; Xie Y. ; Li S. S. ; Bai Y. Z. ; Guo X. W. ; Yi B. L. ; Song Y. J. Mater. Res. Express 2014, 1, 025045.
9	Si W. ; Li J. ; Li H. ; Li S. ; Yin J. ; Xu H. ; Guo X. ; Zhang T. ; Song Y. Nano Res. 2013, 6, 720.
10	Li S. S. ; Li H. Q. ; Zhang Y. S. ; Garcia R. M. ; Li J. ; Xie Y. ; Yin J. ; Li M. R. ; Wang J. H. ; Shelnutt J. A. ; Zhang T. ; Song Y. J. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 21562.
11	Wang C. ; Chi M. ; Wang G. ; van der Vliet D. ; Li D. ; More K. ; Wang H. H. ; Schlueter J. A. ; Markovic N. M. ; Stamenkovic V. R. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 147.
12	Stamenkovic V. R. ; Mun B. S. ; Mayrhofer K. J. J. ; Ross P. N. ; Markovic N. M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 8813.
13	Stamenkovic V. R. ; Fowler B. ; Mun B. S. ; Wang G. ; Ross P.N. ; Lucas C. A. ; Markovic N. M. Science 2007, 315, 493.
14	Chen C. ; Kang Y. J. ; Huo Z. Y. ; Zhu Z. W. ; Huang W. Y. ; Xin H. L. 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.
15	Colón-Mercado H. R. ; Popov B. N. J. Power Sources 2006, 155, 253.
16	Cui C. ; Gan L. ; Heggen M. ; Rudi S. ; Strasser P. Nat. Mater. 2013, 12, 765.
17	Debe M. K. ; Schmoeckel A. K. ; Vernstrorn G. D. ; Atanasoski R. J. Power Sources 2006, 161, 1002.
18	Shao M. H. ; Chang Q. W. ; Dodelet J. P. ; Chenitz R. Chem. Rev. 2016, 116, 3594.
19	N?rskov J. K. ; Rossmeisl J. ; Logadottir A. ; Lindqvist L. ; Kitchin J. R. ; Bligaard T. ; Jonsson H. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 17886.
20	Stamenkovic V. ; Mun B. S. ; Mayrhofer K. J. J. ; Ross P. N. ; Markovic N. M. ; Rossmeisl J. ; Greeley J. ; Norskov J. K. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 2897.
21	Xiao L. ; Huang B. ; Zhuang L. ; Lu J. RSC Adv. 2011, 1, 1358.
22	Ruban A. ; Hammer B. ; Stoltze P. ; Skriver H. L. ; Norskov J..K. J. Mol. Catal. A-Chem. 1997, 115, 421.
23	Kitchin J. R. ; Norskov J. K. ; Barteau M. A. ; Chen J. G. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 156801.
24	Hammer B. ; Norskov J.K. Adv. Catal. 2000, 45, 71.
25	Norskov J. K. ; Bligaard T. ; Rossmeisl J. ; Christensen C. H. Nat. Chem. 2009, 1, 37.
26	Greeley J. ; Norskov J.K. ; Mavrikakis M. Annu. Rev. Phys. 2002, 53, 319.
27	Zhang J. L. ; Vukmirovic M. B. ; Xu Y. ; Mavrikakis M. ; Adzic R. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 2132.
28	Jiang K. ; Zhang H. X. ; Zou S. ; Cai W. B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 20360.
29	Strasser P. ; Koh S. ; Anniyev T. ; Greeley J. ; More K. ; Yu C. ; Liu Z. ; Kaya S. ; Nordlund D. ; Ogasawara H. ; Toney M. F. ; Nilsson A. Nat. Chem. 2010, 2, 454.
30	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.
31	Oezaslan M. ; Hasche F. ; Strasser P. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3273.
32	Peng Z. ; Yang H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7542.
33	Price S.W. T. ; Speed J.D. ; Kannan P. ; Russell A.E. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19448.
34	Brimaud S. ; Behm R.J. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11716.
35	Jiang X. ; Gur T. M. ; Prinz F. B. ; Bent S. F. Chem. Mater. 2010, 22, 3024.
36	Wang D. ; Xin H. L. ; Yu Y. ; Wang H. ; Rus E. ; Muller D. A. ; Abruna H. D. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 17664.
37	Zhang L. ; Iyyamperumal R. ; Yancey D. F. ; Crooks R. M. ; Henkelman G. ACS Nano 2013, 7, 9168.
38	Yang J. ; Yang J. ; Yang J.Y. ACS Nano 2012, 6, 9373.
39	Wang G. ; Huang B. ; Xiao L. ; Ren Z. ; Chen H. ; Wang D. ; Abruna H. D. ; Lu J. ; Zhuang L. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9643.
40	Wang X. ; Vara M. ; Luo M. ; Huang H. W. ; Ruditskiy A. ; Park J. ; Bao S. X. ; Liu J. Y. ; Howe J. ; Chi M. F. ; Xie Z. X. ; Xia Y..N. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15036.
41	Sasaki K. ; Naohara H. ; Choi Y. ; Cai Y. ; Chen W. F. ; Liu P. ; Adzic R. R. Nat. Commun. 2012, 3, 1115.
42	Shao M. ; He G. ; Peles A. ; Odell J. H. ; Zeng J. ; Su D. ; Tao J. ; Yu T. ; Zhu Y. ; Xia Y. Chem. Commun. 2013, 49, 9030.
43	Xie S. ; Choi S. I. ; Lu N. ; Roling L. T. ; Herron J. A. ; Zhang L. ; Park J. ; Wang J. ; Kim M. J. ; Xie Z. ; Mavrikakis M. ; Xia Y. Nano Lett. 2014, 14, 3570.
44	Park J. ; Zhang L. ; Choi S. I. ; Roling L. T. ; Lu N. ; Herron J.A. ; Xie S. ; Wang J. ; Kim M. J. ; Mavrikakis M. ; Xia Y. ACS Nano 2015, 9, 2635.
45	Li H. ; Yao R. ; Wang D. ; He J. ; Li M. ; Song Y. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 4052.
46	Ataee-Esfahani H. ; Imura M. ; Yamauchi Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 13611.
47	Wang L. ; Yamauchi Y. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13636.
48	Liu H. ; Song Y. ; Li S. ; Li J. ; Liu Y. ; Jiang Y. B. ; Guo X. RSC Adv. 2016, 6, 66712.
49	Song Y. ; Garcia R. M. ; Dorin R. M. ; Wang H. R. ; Qiu Y. ; Coker E. N. ; Steen W. A. ; Miller J. E. Shelnutt J. A. Nano Lett. 2007, 7, 3650.
50	Mackus A. J. M.; ; Dielissen S. A. F.; ; Mulders J. J. L. ; Kessels W.M. M. Nanoscale 2012, 4, 4477.
51	Lu J. ; Low K.B. ; Lei Y. ; Libera J.A. ; Nicholls A. ; Stair P.C. ; Elam J.W. Nat. Commun. 2014, 5, 3264.
52	Mackus A.J. M.; ; Mulders J.J. L.; ; van de Sanden M.C. M.; ; Kessels W.M. M. J. Appl. Phys. 2010, 107, 116102.
53	Lei Y. ; Liu B. ; Lu J. ; Lobo-Lapidus R.J. ; Wu T. ; Feng H. ; Xia X. ; Mane A.U. ; Libera J.A. ; Greeley J.P. ; Miller J.T. ; Elam J.W. Chem. Mater. 2012, 24, 3525.
54	Cao K. ; Zhu Q. ; Shan B. ; Chen R. Sci. Rep. 2015, 5, 8470.

[1]	于彦会, 饶鹏, 封苏阳, 陈民, 邓培林, 李静, 苗政培, 康振烨, 沈义俊, 田新龙. 钴原子团簇用于高效氧还原反应[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2210039 -0 .
[2]	兰畅, 楚宇逸, 王烁, 刘长鹏, 葛君杰, 邢巍. 质子交换膜燃料电池阴极非贵金属M-N_x/C型氧还原催化剂研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2210036 -0 .
[3]	李景学, 于跃, 徐斯然, 闫文付, 木士春, 张佳楠. 电子自旋效应在电催化剂中的作用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2302049 - .
[4]	韩爱娣, 闫晓晖, 陈俊任, 程晓静, 章俊良. 分散溶剂对PEMFC催化层中超薄Nafion离聚物质子传导的影响[J]. 物理化学学报, 2022, 38(3): 1912052 - .
[5]	刘苗苗, 杨茅茂, 舒欣欣, 张进涛. 燃料电池碳基氧还原催化剂的设计与应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2007072 - .
[6]	韩洪仨, 王彦青, 张云龙, 丛媛媛, 秦嘉琪, 高蕊, 柴春晓, 宋玉江. 金属卟啉修饰的多孔聚苯胺基氧还原电催化剂[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2008017 - .
[7]	包玉菲, 冯立纲. PdNi/石墨烯气凝胶电催化甲酸氧化[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2008031 - .
[8]	罗芳, 潘书媛, 杨泽惠. 中高温质子交换膜燃料电池催化剂研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2009087 - .
[9]	王健, 丁炜, 魏子栋. 超低铂用量质子交换膜燃料电池[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2009094 - .
[10]	丁亮, 唐堂, 胡劲松. 基于金属-氮-碳结构催化剂的质子交换膜燃料电池研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2010048 - .
[11]	梁嘉顺, 刘轩, 李箐. 提升燃料电池铂基催化剂稳定性的原理、策略与方法[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2010072 - .
[12]	李峥嵘, 申涛, 胡冶州, 陈科, 陆贇, 王得丽. 有序金属间化合物电催化剂在燃料电池中的应用进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2010029 - .
[13]	高增强, 王聪勇, 李俊俊, 朱亚廷, 张志成, 胡文平. 导电金属有机框架材料在电催化中的成就，挑战和机遇[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2010025 - .
[14]	肖瑶, 裴煜, 胡一帆, 马汝广, 王德义, 王家成. 磷化钴封装在磷富集的三维多孔碳及其双功能氧电催化性能研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2009051 - .
[15]	李琳, 沈水云, 魏光华, 章俊良. 基于血红素衍生的中空非贵金属催化剂氧还原反应电催化活性[J]. 物理化学学报, 2021, 37(3): 1911011 - .

内核含Pd的Pt基核壳结构电催化剂

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