催化活性位點周圍的局部配位環(huán)境，對碳負(fù)載金屬納米顆粒電催化劑的活性調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。然而，通過環(huán)境調(diào)控來改善性能，其電催化劑的合理設(shè)計受到嚴(yán)重限制，并對催化相如何形成的機制理解也不足。這里，通過在Pd/N-C催化劑中引入氟（F）原子,以改變Pd周圍的配位環(huán)境，提高乙醇氧化反應(yīng)和氧還原反應(yīng)的催化活性和穩(wěn)定性。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)原子的引入產(chǎn)生了更富氮的Pd表面，這有利于催化反應(yīng)的進行，并且通過抑制Pd遷移和減少碳腐蝕來提高催化劑整體的耐久性。F修飾的Pd/N-C催化劑用于直接乙醇燃料電池，既用于乙醇氧化反應(yīng)和氧還原反應(yīng)，實現(xiàn)了最大功率密度達0.57 W·cm-2，運行時間超過5900小時。此外，該策略的普適性也得以驗證，通過引入F原子也可以改善含其它雜原子(P、S、B)的Pd/C催化劑的催化性能。
Figure 1.氟化驅(qū)動重排局部配位化境（LCE）的示意圖。F原子引入Pd/N-C中削弱了C-N鍵，將N原子遷移到Pd表面。
Figure 2. 所制備樣品的結(jié)構(gòu)表征。包括傅里葉變換紅外光譜、拉曼光譜、電導(dǎo)率和紫外光電子能譜(UPS)。
Figure 3. Pd/X–F催化劑的形貌和原子結(jié)構(gòu)。a–h，高角度環(huán)形暗場(HAADF) STEM圖像和相應(yīng)的元素分布。
Figure 4. 電化學(xué)ORR和EOR性能。a)ECSA比較。b-c) 半波電位。c) CO-TPD。d）循環(huán)30000圈后的ORR質(zhì)量活性保留和半波損失。e) 循環(huán)10000圈后的EOR質(zhì)量活性保留。f）乙醇轉(zhuǎn)變成CO2的法拉第效率。
Figure 5. 直接乙醇燃料電池測試和穩(wěn)定性。a) 穩(wěn)態(tài)DEFC極化和功率密度曲線。b) DEFC穩(wěn)定性。c，d）功率密度和穩(wěn)定性比較。
該研究工作由中佛羅里達大學(xué)楊陽課題組（第一作者是Jinfa Chang）于2021年發(fā)表在Nature Energy期刊上。原文：Improving Pd–N–C fuel cell electrocatalysts through fluorination-driven rearrangements of local coordination environment。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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