第一作者：Jiashun Liang, Shenzhou Li, Xuan Liu

通訊作者：李箐

通訊單位：華中科技大學

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貴金屬納米線電催化劑的制備受到面心立方結(jié)構(gòu)熱力學對稱生長的極大限制。本論文提出了一種氣體平衡吸附策略（GBAS），用于制備超薄的鈀（Pd）、鉑（Pt）和金（Au）基納米線（NWs），這些納米線的直徑小于2 nm。通過控制合成過程中現(xiàn)場生成的氫氣（H₂）和一氧化碳（CO）之間的競爭吸附，成功制備了包含3種貴金屬作為宿主元素和14種金屬作為客體元素的43種納米線組合。

其中，含有間隙氫的三元Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線在0.9 V的堿性條件下對氧還原反應（ORR）表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)量活性（11.1 A mg^-1_PGM）和比活性（13.9 mA cm^-2）。原位X射線吸收光譜（XAS）測量揭示了在應用電位下，Pd-Pd鍵長和應變的變化，表明Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線在相關電位下表現(xiàn)出更大的壓縮應變以及低氧覆蓋率。

理論計算表明，間隙氫誘導了鈀和氫之間的s-d軌道相互作用，從而增強了氧還原反應的活性。此外，Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線在70 °C的無CO的H₂/空氣中的陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）中提供了0.87 W cm^-2的高功率密度。

圖文導讀

圖1：Pd基納米線的形貌表征，包括不同成分的納米線的透射電子顯微鏡（TEM）圖像和高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像。

圖2：Pt基和Au基納米線的形貌表征，包括不同成分的納米線的TEM圖像。

圖3：Pt基、Pd基和Au基納米線庫概況及形成機理。

圖4：PdH_x基納米線的晶體結(jié)構(gòu)表征，包括X射線衍射（XRD）圖譜、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）和原子分辨率HAADF-STEM圖像。

圖5：Pd基納米線在0.1 M KOH中的電化學ORR測試結(jié)果，包括質(zhì)量活性、極化曲線、活性比較和間隙氫對活性的影響。

圖6：PdH_x基納米線增強ORR活性的機理研究。

圖7：燃料電池中Pd基和Pt基納米線作為陰極催化劑的性能，包括極化曲線、功率密度和耐久性測試結(jié)果。

總結(jié)展望

本研究開發(fā)了一種通用的氣體平衡吸附策略，用于制備超薄的貴金屬基多金屬納米線庫，包括高熵合金和不相溶合金。通過控制合成過程中的快速成核速率和CO與氫氣的共吸附，打破了面心立方（fcc）晶格的對稱性，實現(xiàn)了納米線的各向異性生長。所制備的Pd基納米線ORR電催化劑，特別是Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線，在0.9 V的堿性條件下展示了卓越的質(zhì)量活性，是迄今為止性能最佳的ORR電催化劑之一。

原位XAS實驗揭示了催化劑在ORR過程中應變的動態(tài)變化，間隙氫的存在顯著提高了催化劑的本征ORR活性。在AEMFCs中，Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁納米線正極實現(xiàn)了0.87 W cm^-2的高功率密度，超過了商業(yè)Pt/C 。開發(fā)的Pt₇₄Ni₁₇Co₉納米線催化劑在酸性條件下，在PEMFC中實現(xiàn)了高質(zhì)量活性、電流密度和額定功率密度，且在30,000次循環(huán)后性能損失小于15%，超過了美國能源部（DOE）2025年的目標。本工作為生產(chǎn)1D貴金屬基納米線提供了一種新穎且迅速的策略，并為探索其在催化、電子學等領域的應用打開了大門。

文獻信息

標題：Gas-balancing adsorption strategy towards noble-metal-based nanowire electrocatalysts

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01167-8