姚向东&贾毅Adv. Mater.：合金元素“梯度浓度”设计核壳结构氧还原催化剂

氧还原反应（ORR）是质子交换膜电池（PEMFC）和金属空气电池等新能源存储与转化器件的关键半反应，其中以碳为载体的铂纳米粒子（Pt/C）因具有优异的电催化氧还原性能，被广泛用于商业催化剂。然而，由于Pt/C催化剂成本过高，同时，铂纳米颗粒在酸性体系下易发生脱落、迁移与聚集，稳定性差，限制了其在PEMFC的应用。因此，开发低成本、高活性、高稳定性的ORR电催化剂成为PEMFC发展的一个关键。

最近，吉林大学姚向东教授团队采用合金成分的梯度分布调控，实现了表面富缺陷的核壳结构催化剂的结构设计。相关论文发表在Advanced Materials 上，第一作者为沈阳理工大学吕逍副教授，澳洲格里菲斯大学贾毅研究员为共同通讯作者。作者首先在石墨烯衬底上制备了成分从表面到内部呈梯度分布的纳米Pt-Ni合金颗粒，然后采用部分去合金化的方法除去Ni制备了具有缺陷Pt表面的Pt-Ni合金核-壳纳米粒子（Pt-Ni@Pt_D/G）。

图1. 调控合金元素中的“梯度浓度”来制备具有“缺陷Pt保护壳层“的Pt-Ni@Pt_D核壳结构。

电化学测试显示，Pt-Ni@Pt_D/G催化剂在酸性（0.1 M HClO₄）电解液中表现出良好的催化性能。Pt-Ni@Pt_D/G催化剂的高活性是由于表面镍的缺失，使催化剂表面暴露出更多的Pt活性位点，同时镍空位产生的Pt-Pt键长的变化使在Pt表面产生压缩应变，也有利于提高ORR性能。结合DFT理论计算分析进一步证实，Pt-Ni@Pt_D/G催化剂表面有缺陷的活性位点表现出较弱的OOH*结合能，其中最接近最佳活性的是Ni空位附近的Pt-Pt位。

图2. Pt-Ni@Pt_D/G催化剂的酸性ORR性能与活性位点解析。

更为重要的是，由于Pt原子壳层在表面作为保护性“盔甲”，可防止镍原子在长期运行过程中进一步溶解，因此该催化剂在酸性溶液中表现出优异的ORR稳定性。

图3. Pt-Ni@Pt_D/G催化剂的酸性ORR稳定性测试与反应前后的微观结构解析。

综上所述，该文首次采用了合金成分的梯度分布调控，实现了表面富缺陷的核壳结构催化剂的结构设计。这项工作通过缺陷工程和微观结构调控为制备高效和高耐久性的核壳电催化剂提供了一种新的设计策略。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Gradient-Concentration Design of Stable Core–Shell Nanostructure for Acidic Oxygen Reduction Electrocatalysis

Xiao Lyu, Yi Jia, Xin Mao, Daohao Li, Gen Li, Linzhou Zhuang, Xin Wang, Dongjiang Yang, Qiang Wang, Aijun Du, Xiangdong Yao

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003493

通讯作者介绍

姚向东， 现任吉林大学和澳大利亚格里菲斯大学能源材料终身教授，澳中能源和环境材料联合实验室主任。姚向东教授团队的研究集中在新能源材料，尤其是储氢材料、太阳能辅助制氢和氢能综合利用方向。近年来，姚向东教授课题组在Nature Catalysis、 Chemical Society Reviews、Chem、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano 等具有国际影响力的主流期刊上共发表了180多篇学术论文，受邀在国际/国内学术会议上做报告80余次。

贾毅，澳大利亚昆士兰大学材料工程博士，美国加州伯克利大学和劳伦斯伯克利国家实验室访问学者，澳大利亚研究委员会“探索青年研究员”称号获得者（ARC DECRA）。现任澳大利亚格里菲斯大学，昆士兰微纳米技术中心（QMNC）研究员兼博士生导师，主要从事纳米材料在新能源设备中的应用，其中包括固/液态储氢材料，可再生燃料电池及金属空气电池的电极材料设计与研发。贾毅博士于国际期刊上发表70多篇重要论文著作，做国际会议学术报告10余次，ESI高被引用论文13篇, Google scholar引用4200余次，H-Index为36。其中，以第一/共一或通讯作者发表论文30余篇，包括Nature Catalysis （1篇）, Chem （Cell 的姐妹刊）（5篇），J. Am. Chem. Soc. （1篇）, Adv. Mater.（4篇），Adv. Energy Mater. （1篇），Angew. Chem.-Int. Edit. （3篇）等。