北大工學院郭少軍以通訊作者在Science Advances上發表重要研究結果

近日，北京大學和蘇州大學聯合團隊在亞納米金屬材料的製備和性能研究方面獲得重大突破。他們通過高溫油相合成出直徑僅為數個原子層的Pt和Pt基合金納米線，並將其應用為限制燃料電池商品化進程的氧還原反應（ORR）電催化劑，表現出超高的電催化活性和卓越的穩定性。此外，該工作的結論突破了傳統認識，即：小尺寸的Pt基納米材料因對ORR中間體吸附太強而不利於反應，開拓了亞納米一維材料應用於電催化反應的先河。以北京大學工學院郭少軍研究員為通訊作者，該合作成果發表在最新一期的國際權威學術期刊Science Advances上（鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/3/2/e1601705）。

燃料電池，尤其是質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cells，PEMFCs），由於其高效、環保和高度模塊化等優點被認為是未來社會的最佳產能裝置，也被諸多科技雜誌評為二十一世紀十大高新技術之首。早在2014年，日本汽車巨頭豐田公司就已開發出以PEMFCs為主要動力源的小型轎車Mirai。儘管在過去幾十年里，PEMFCs技術已得到了前所未有的發展，但其進一步的商業化應用依然受限於用於催化其陰極ORR反應的高Pt擔量，因此，迫切需求開發低成本高性能的ORR電催化材料。在早期的解決方案中，研究人員陷入了一個兩難處境：為了提高貴金屬Pt的利用率，需要不斷地降低Pt催化劑的尺寸；而小尺寸的Pt對ORR反應中間體吸附過強，不利於比活性的提高。綜合以上兩個因素，人們發現尺寸約為3 nm的Pt顆粒的質量比活性最高（即單位質量Pt的活性），這顯然無法滿足PEMFCs走向市場的要求。如何進一步提高Pt的質量比活性成為此領域的核心課題。

該研究團隊發現，以往的研究大多局限在零維的Pt多面體，而上述所提到的兩難處境是否也適用於一維的納米線結構卻不得而知。為解決這一科學問題，研究團隊報道了一種基於高溫油相合成的製備亞納米線的普適性方法。此法不僅可得到直徑僅為4到5個原子層的納米線，還可拓展到二元甚至三元的合金。與零維多面體結構不同，亞納米線結構不僅可大幅度提高Pt的原子利用率，其面積比活性也得到了提升。在0.9 V的條件下，PtCoNi三元合金亞納米線的質量和面積比活性分別高達4.2 A/mg和5.1 mA/cm2，分別超過商業鉑催化劑的32和27倍。密度泛函計算模擬結果認為亞納米線上高密度的純Pt（111）晶面是ORR的主要活性位點，來自於內部鉑基合金內核的壓縮應力優化了外Pt殼對ORR中間體的吸附鍵能，從而有利於反應的進行。此外，該法同樣適合於高性能納米催化材料的批量化製備。

該工作在北京大學、蘇州大學和美國加州州立大學三個單位的緊密合作下完成。郭少軍、黃小青依次為論文的通訊作者。該項目得到北京大學工程科學與技術創新高精尖中心基金、科技部重點研發計劃和國家自然科學基金等支持。

Pt基亞納米線的精細結構表徵

Pt基亞納米線催化劑的電化學表徵及DFT模擬計算結果

編輯：安寧

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