背景介紹
直接甲醇燃料電池（DMFC）因其燃料的可再生特性、低碳排放、易儲存、體積能量密度（5059.0 Wh/L）遠高于氫氣（2.9 Wh/L）而日益受到關注。然而，在DMFC器件中，陰極催化劑緩慢的氧還原（ORR）動力學、鉑資源的稀缺性、低甲醇耐受性和抗一氧化碳（CO）中毒性嚴重阻礙了DMFC器件的商業化進程。開發具有高性能的非Pt電催化劑被認為是解決這些限制的有效策略。鈀基合金納米電催化劑是一類優于Pt的有效堿性介質陰極催化劑。研究發現Pd金屬與其它過渡金屬M（M = Cu、Fe、Bi、Mo、Au、Ag ）等合金化可以產生電子效應、晶格應變和調節d帶中心等效應，從而提高Pd基合金催化劑的氧還原特性。但制備具有高甲醇耐受性和抗CO中毒性的高性能氧還原Pd基合金電催化劑替代鉑用于DMFC任然是極大的挑戰。
研究方法
第三種少量過渡金屬作為“活性輔助子”引入二元納米合金可以增強納米合金的氧還原性能，本文使用溶劑熱法一步成功制備了富含界面的 Au 摻雜 PdBi一維納米鏈（PdBiAu）。通過與二元PdBi一維納米鏈的氧還原性能進行比較，證實Au的引入可以提高氧還原的活性、耐久性、甲醇耐受性和抗CO中毒性。利用高分辨透射電鏡(HRTEM)、X-射線光電子能譜(XPS)和X射線衍射(XRD)等表征方法研究了“構-效”關系。對PdBiAu納米鏈在實際的DMFC器件中的性能進行測試，并與商業的Pt/C和PdBi納米鏈進行比較。
成果簡介
貴州大學袁強教授課題組通過簡單的一步液相合成方法，合成了Au摻雜的PdBi納米鏈。生長機理研究發現Pd0.60Bi0.35Au0.05納米鏈由直徑大約為6.5 nm的顆粒組裝而成，并富含納米界面。Pd0.60Bi0.35Au0.05納米鏈在堿性介質的ORR測試中表現出 6.40 A·mgPd?1和9.60 mA·cm?2的質量活性和比活性，明顯優于商業Pt/C、Pd/C和PdBi納米鏈的活性。此外，Pd0.60Bi0.35Au0.05納米鏈還表現出優于Pd/C、Pt/C和PdBi納米鏈的抗甲醇/CO毒性。因此，在陰極氣體為O2和空氣的DMFC器件測試中，Pd0.60Bi0.35Au0.05納米鏈表現出比商業Pt/C和PdBi納米鏈更高的功率密度。峰值功率密度和峰值電流密度分別可以達到140.1 mW·cm?2/500.0 mA·cm?2（氧氣氣氛）和112.4 mW·cm?2/402.8 mA·cm?2（空氣氣氛）。PdBiAu一維納米鏈性能增強可歸因于表面“Pd-Bi” 和 “Pd-Au”雙活性位點、電子效應和增強的電荷傳輸能力的協同機制。
作者簡介
袁強教授課題組十多年來一直致力于納米材料的設計、可控合成、自組裝、結構表征及其在燃料電池、金屬-空氣電池、電化學水解制氫/氧和電化學傳感器中的應用性能研究。于2006年畢業于廈門大學并于同年到貴州大學任教，先后在清華大學、新加坡國立大學和國王阿卜杜拉科技大學從事博士后研究。以第一/通訊作者在Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Research等SCI期刊發表科研成果30多篇，論文被Nature, Chemical Reviews, Nature Nanotechnology等他引1100多次。。
文章信息
Xin Li, Ke Xin Yao, Fengling Zhao, Xiaotong Yang, Jingwei Li, Yongfei Li, Qiang Yuan*, Interface-rich Au-doped PdBi alloy nanochains as multifunctional oxygen reduction catalysts boost the power density and durability of a direct methanol fuel cell device.?Nano Research?https://doi.org/10.1007/s12274-022-4299-1.
