近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所微納技術(shù)與器件研究室研究員李越課題組在可控制備多孔金-銀-鉑(AuAgPt)合金納米材料及其甲醇催化研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在JournalofMaterialsChemistryA(J.Mater.Chem.A,DOI:10.1039/c8ta04087g)上。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求日益增加。化石能源作為目前全球消耗的最主要能源，在給我們帶來(lái)方便的同時(shí)，也對(duì)地球環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。因此，開(kāi)發(fā)可代替化石能源的清潔能源變得越來(lái)越重要。燃料電池是一種能把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，它是繼水力、火力、原子能發(fā)電方式之后的“第四種發(fā)電方式”;因具有節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高、接近零排放的優(yōu)點(diǎn);已成為解決能源和環(huán)境問(wèn)題的重要途徑。其中，甲醇燃料電池因具有工作效率高、環(huán)境友好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備。相比于氫能源，甲醇是一種更加便宜的液態(tài)燃料，便于存儲(chǔ)、易運(yùn)輸，且具有更高的理論能量密度，因此甲醇燃料電池在新能源領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用潛力。

目前，甲醇燃料電池的催化劑主要采用鉑納米材料制成，但是傳統(tǒng)鉑納米材料在制備過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生毒化、析出等副作用，使得鉑納米催化劑的有效面積活性和質(zhì)量活性逐漸降低，嚴(yán)重影響了甲醇燃料電池的使用壽命。此外，制備鉑納米材料所需的金屬鉑儲(chǔ)存量低、價(jià)格昂貴、成本高，十分不利于電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。為了提高甲醇燃料電池催化劑的催化活性和穩(wěn)定性，人們已通過(guò)多方法制備出了具有不同結(jié)構(gòu)的鉑及鉑基納米催化劑，例如：具有高指數(shù)晶面的鉑納米粒子、空心鉑鈀合金、鉑鎳合金、銀鉑合金等，但這些材料的制備方法大多工序復(fù)雜、反應(yīng)周期長(zhǎng)，而且并不能很好地解決上述催化活性和穩(wěn)定性問(wèn)題。

李越課題組采用激光誘導(dǎo)法成功制備出三維多孔AuAgPt三元合金納米材料催化劑。他們首先將Au@Ag納米立方塊與氯鉑酸鉀反應(yīng)獲得Au@AgPt納米立方塊(Au@AgPtNCs)，再采用670～700伏的激光對(duì)Au@AgPt納米立方塊進(jìn)行激光輻照，使Au@AgPt納米立方塊快速熔融成實(shí)心AuAgPt合金納米球(solidAuAgPtNSs)，然后通過(guò)化學(xué)刻蝕去除實(shí)心AuAgPt合金納米球中的部分銀，制得具有單分散的三維多孔AuAgPt三元合金納米球(spongyAuAgPtNSs)(圖1、圖2)。這種AuAgPt三元合金納米球不僅穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鉑納米材料，而且具有大的比表面積和高密度活性位點(diǎn)，易吸附反應(yīng)物，能夠有效地提高催化活性，其對(duì)甲醇催化的質(zhì)量活性(1.62AmgPt-1)分別是實(shí)心AuAgPt合金納米球(0.35AmgPt-1)和商業(yè)化鉑黑(Ptblack)(0.32AmgPt-1)的4.6和5.1倍。這些優(yōu)異的性能得益于材料本身的多孔結(jié)構(gòu)以及材料表面的高指數(shù)晶面、晶格扭曲和孿晶界的存在。該項(xiàng)研究結(jié)果從一定程度上解決了燃料電池使用時(shí)催化劑催化活性不高、穩(wěn)定性差和電池使用壽命短等問(wèn)題。

以上研究得到了中科院交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

圖1.(a)-(b)分別為AuAgPt三元合金納米球的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和透射電鏡圖;(c)AuAgPt三元合金納米球的高角環(huán)形暗場(chǎng)-掃描投射圖片和元素分布圖;(d)線掃元素分布圖;(e)AuAgPt三元合金納米球的X射線衍射圖譜。

圖2.AuAgPt三元合金納米球的HRTEM圖。(a)顆粒中存在的孿晶界和高指數(shù)晶面;(b)晶格畸變的局部放大圖。

圖3.AuAgPt三元合金納米球、實(shí)心AuAgPt合金納米球和鉑黑甲醇電催化性能測(cè)試。(a)在氮?dú)怙柡偷?.1MHClO4溶液中測(cè)試得到的循環(huán)伏安圖;(b)在0.1MHClO4+0.2M甲醇溶液中測(cè)試得到的甲醇氧化曲線;(c)不同催化劑的甲醇氧化活性對(duì)比柱狀圖;(d)穩(wěn)定性測(cè)試對(duì)比圖。