• 研究论文 •
胡德忠a, 姜文丹a, 黄伟杰a, 杨俊b,*, 康雄武a,*
Dezhong Hua, Wendan Jianga, Wei Keat Nga, Jun Yangb,*, Xiongwu Kanga,*
摘要: 开发兼具低成本与高稳定性的电解水析氢(HER)、氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)等多功能电催化剂,可以显著提升电解水析氢及可充电锌空气电池(ZABs)的能量转换效率。具有明确晶面的多面体纳米晶是一类典型的模型催化剂,可为构效关系研究提供理想平台。然而,由于多种金属间存在复杂的氧化还原电位与混合焓差异,制备多组元合金纳米晶仍极具挑战性。本文采用快速微波辅助还原法成功合成出八面体及凹面截角八面体 Pd@PdPtCuFe 纳米晶。由于钯前驱体具有极快的还原与成核速率,反应优先形成钯内核;其余金属前驱体随后同步还原并高效扩散,最终形成 PdPtCu 或 PdPtCuM(M = Ni、Co、Fe、Zn)合金壳层。铁元素诱导晶体形貌从八面体向凹面截角八面体演变。得益于多金属组分间的协同电子耦合效应,以及应变调控的表面构型,Pd@PdPtCuFe/C 表现出优异的多功能电催化性能:在 10 mA⋅cm-2电流密度下,HER 过电位仅为 18 mV,塔菲尔斜率为 27 mV⋅dec-1;在 10 mA⋅cm-2电流密度下,OER 过电位为 360 mV,塔菲尔斜率为 75.9 mV⋅dec-1,与商业催化剂IrO2相当。所有催化剂均展现出一定的 ORR 活性,其中 Pd@PdPtCuFe/C 在碱性电解液中的 ORR 半波电位为 0.792 V。其作为锌空气电池阴极催化剂时,实现了81.2 mW⋅cm-2的峰值功率密度,并可稳定循环超过 50 小时。本工作为多金属纳米晶的超快形貌可控合成提供了一种普适性策略,为高性能合金催化剂的理性设计奠定了基础。