杨阳/冯振兴/谷猛/王国峰Nature Energy：F掺杂Pd-N-C催化剂，助力超强直接乙醇燃料电池！

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杨阳/冯振兴/谷猛/王国峰Nature Energy：F掺杂Pd-N-C催化剂，助力超强直接乙醇燃料电池！
成果介绍
催化剂活性位点周围的局部配位环境(LCE)对碳负载金属纳米颗粒电催化剂的活性调节起着至关重要的作用。然而，通过控制这种环境来提高性能的电催化剂的合理设计仍然受到了许多限制，其中包括对催化活性相如何形成的机制理解不足。
中佛罗里达大学杨阳、俄勒冈州立大学冯振兴、南方科技大学谷猛、匹兹堡大学王国峰等人研究表明，在Pd/N-C催化剂中引入F原子可以改善Pd周围的环境，提高乙醇氧化反应(EOR)和氧还原反应(ORR)的活性和耐久性。
实验分析和理论计算表明，F原子倾向于占据缺陷位点，将N原子从N-C键中逐出，推动N原子与Pd配位，在Pd表面形成富N层。即F原子的引入有利于形成一个更富含N的Pd表面，有利于提高电催化活性。表面Pd-N键的形成不仅抑制了Pd的迁移和团聚，还通过调节局部配位环境来提高了催化剂的活性，而在不掺杂F的催化剂中，N原子在缺陷位点与C原子强配位。因此，通过抑制Pd迁移和减少碳腐蚀，使催化剂的耐久性得到提高。
将F原子引入到Pd/N-C催化剂时，其所组装的直接乙醇燃料电池表现出高达0.57 W cm-2的最大功率密度，可稳定运行超过5900小时。此外，在Pd/C催化剂中加入其他杂原子(P、S、B)也可以改善催化剂的性能。
相关工作以Improving Pd–N–C fuel cell electrocatalysts through fluorination-driven rearrangements of local coordination environment为题在Nature Energy上发表论文。
内容介绍

杨阳/冯振兴/谷猛/王国峰Nature Energy：F掺杂Pd-N-C催化剂，助力超强直接乙醇燃料电池！

图1. 氟驱动的局部配位环境变化示意图
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图2. 利用傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、电导率和紫外光电子能谱对结构进行表征

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图3. Pd/X-F催化剂的形貌和原子结构

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图4. XAS光谱分析

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图5. ORR、EOR性能

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图6. 直接乙醇燃料电池测试及稳定性

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图7. DFT计算
总结与展望
综上所述，本文提出了一种有效调控局部配位环境和Pd/X&F-C(X=N、P、S、B)活性的策略，以设计高性能的DEFCs催化剂。研究发现，Pd/N&F-C催化剂中的F原子将N原子推向Pd，从而形成Pd-N活性位点，有效调控Pd的局部配位环境。Pd表面形成的Pd-N不仅削弱了CO的吸附，而且为ORR过程中O2的快速吸附创造了更容易可达的催化位点。此外，富含N的Pd表面促进了C-C键的解离，并通过12电子途径使乙醇完全氧化，有效提高了EOR性能。
当用作ORR催化剂时，Pd/N&F-C在0.9 ViR-free下的质量活性达到了4.71 A mgPd-1。同时，作为EOR催化剂，乙醇氧化的峰值电流密度达到26.5 A mgPd-1。在DEFCs中测试时，其最大功率密度可达0.57 W cm-2，并可以稳定运行5900小时以上，证明了其在实际应用中的巨大前景。
研究人员还使用了其他碳载体的金属催化剂，这些催化剂的活性和稳定性也得到了极大提高。因此，该策略为解决碳材料在各种能源设备中的腐蚀问题奠定了基础。
文献信息
Improving Pd–N–C fuel cell electrocatalysts through fluorination-driven rearrangements of local coordination environment，Nature Energy，2021.
https://doi.org/10.1038/s41560-021-00940-4

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/13/908d905177/

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