文獻導讀 – Science：通過鑭系金屬調節鉑合金的電催化性能

近日，丹麥科技大學Escudero-Escribano等人研究了一系列鉑與鑭系元素和堿金屬組成的合金的ORR催化性能。相較于純鉑，性能最高提升了6倍。

燃料電池汽車作為新能源汽車，被認為是未來汽車動力發展的方向之一。它彌補了鋰電汽車充電時間長，續航能力短，無法在低溫下使用的缺點。鉑作為聚合物膜燃料電池的陰極，具有很高的ORR催化性能。由于鉑屬于貴金屬，因此降低鉑的使用，同時獲得高ORR催化性能顯得十分有必要。

本文亮點在于系統的研究了鑭系金屬與鉑組成合金的ORR催化性能。在氧氣飽和的0.1 M HClO₄電解質溶液中，作者獲得了鉑-鑭系合金優異的ORR性能；同時在0.6V~1.0V之間循環伏安10000圈，探究了其穩定性，并從微觀上對合金失活給予進一步解釋。作者通過對比鉑-鑭系合金，其ORR催化活性與體積晶格常數遵循火山峰關系。
圖1. A為濺射清洗的金屬合金（Pt₅M）原子分布，B為電化學測試之后的金屬合金原子分布。C為鑭系鉑合金與堿金屬鉑合金的10000圈循環伏安掃后電流密度對比圖。A、B中紫色為M金屬原子，灰色為鉑金屬原子。可以直觀看出，由于M原子不能穩定存在于溶液中，使得合金表面被一層鉑覆蓋，這也是C中10000圈后性能下降的原因。即使鑭系鉑合金性能下降，從C中可以看出其電流密度是純鉑的3倍。

圖2. A、B表示，在酸性條件下測ORR，有1/2層的M金屬被溶出，留下3/5層的鉑。另外，鑭系鉑合金的晶格參數a與d從左向右逐漸減小。

圖3.Ａ、B為電化學測試前后的XPS剖面圖，鉑層厚度具有呈現晶格參數和活性損失的功能。C為不同條件下的Pt₅Tb中Pt和Pb的原子比率；D為ORR和穩定性后，Pt₅Tm, Pt₅Dy, Pt₅Tb,Pt₅Gd, Pt₅Ce, and Pt₅La 的Pt層厚度；E為用Pt層厚度來表示活性損失百分比；F為不同鉑合金的溶液過電勢與壓力的關系曲線。

圖4. 在0.9V下測的鉑合金催化劑的活性，氫吸附，Pt-Pt距離的火山圖。

Escudero-Escribano等人認為鑭系金屬與鉑有著很好的協同作用，這使得鉑合金的ORR催化性能優于純鉑。文章最后認為，精心的調控合金組成加之合理的退火處理工藝，將會獲得十分優異的催化活性和長久的穩定性。

本文于2016年發表在Science上（DOI: 10.1126/science.aad8892）

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