（通讯员 梁嘉顺）2024年6月3日，《自然 · 催化》（Nature Catalysis）在线刊发我校材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室李箐教授团队在氢燃料电池催化剂领域的重要研究成果：基于气体平衡吸附策略制备贵金属基纳米线催化剂（Gas Balancing Adsorption Strategy towards NobleMetal-based Nanowire Electrocatalysts）。我校为论文第一完成单位和唯一通讯单位，2022届博士生梁嘉顺、2024届博士生李申宙及2020级博士生刘轩为论文共同第一作者，李箐为论文通讯作者，黄云辉教授与美国加州州立大学北岭分校吕刚教授、南方科技大学王湘麟教授对该工作的材料表征和数据分析提供了大力支持。
超细纳米线，通常指直径小于2纳米的纳米线，由于其一维结构及较大的长径比，在电子学、光学以及催化等方面表现出一些独特的性质，吸引了广泛的研究兴趣。例如在电催化领域，贵金属基超细纳米线具有较高的原子利用率以及高的不饱和配位点，可以作为高效的电催化剂，加速电化学过程、促进能源转换，如燃料电池阴极的氧还原反应等。然而，贵金属基纳米线的精准制备仍存在极大的挑战。这是因为钯、铂、金等贵金属的晶体结构为面心立方，具有较高的对称性，这些贵金属纳米晶的生长会受到热力学的限制，最终生长为截角八面体颗粒。2024年中国科学院国家纳米科学中心联合《科学》（Science）杂志发布了“十大前沿纳米科技难题”中第5条即为：“纳米技术如何影响不同类型催化剂的制备？”
针对晶体对称性的问题，团队提出了一种基于气体平衡吸附的策略，通过精准控制一氧化碳以及氢气在贵金属表面的吸附，从原子层面打破纳米晶的生长对称性，从而诱导贵金属纳米线的精准合成。基于这一策略，该团队实现了43种超细纳米线的可控制备，包括3种溶剂金属以及14种溶质金属。
图1 钯基超细纳米线催化剂的精准制备
图2 基于气体平衡吸附策略制备的贵金属纳米线催化剂及其生长机理研究
该团队进一步探究了钯基纳米线等催化剂的氧还原催化活性。其中，Pd85Pt8Ni7H41纳米线表现出极佳的氧还原催化活性，其质量活性以及比活性分别达到11.1 A mgPGM-1以及13.9 mA cm-2，与目前文献报道的最优值接近。同时该催化剂具有优异的稳定性，在经过30000圈循环后，仍能够保持83%的质量活性。此外，在阴离子交换膜燃料电池中，该催化剂也表现出优异的性能，其峰值功率密度到达0.87 W cm-2，超过商业Pt/C催化剂31%。
图3 Pd85Pt8Ni7H41纳米线催化剂活性提升的机理研究
该团队进一步采用工况条件的XAS对催化剂进行表征，探究催化剂活性提升的机理。结果表明，催化剂在催化氧还原反应的过程中，Pd-Pd键长会发生“呼吸式”的变化，即在低电位表现出压缩应变，随着电位的提升，应变逐步从压缩应变转变为拉伸应变。一般来说，拉伸应变将导致催化剂与含氧中间体的结合能增加，不利于氧还原反应。而由于间隙H原子的存在，Pd85Pt8Ni7H41纳米线能够延缓催化剂向拉伸应变的过渡，在较大的电压范围内保持压缩应变，从而提升催化剂的氧还原活性。
该团队为纳米晶电催化剂的精准制备，以及低成本、高活性及长寿命的燃料电池阴极催化剂的设计提供了可行的新思路。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-024-01167-8
