我校郭俊杰教授團隊在燃料電池關(guān)鍵電極材料的研發(fā)取得突破進展，通過納米孔邊界重構(gòu)大幅提升二維Pd納米篩的ORR性能，材料領(lǐng)域頂級期刊《Advanced Materials》發(fā)表了題為“Greatly Enhanced Oxygen Reduction Reaction in Anion Exchange Membrane Fuel Cell and Zn-air Battery via Hole Inner Edge Reconstruction of Two-dimensional Pd Nanomesh”的研究論文。共同第一作者為太原理工大學(xué)碩士生田嘉康，分析測試與儀器共享中心宋艷慧實驗師，和陜西科技大學(xué)郝曉東副教授。通訊作者為郭俊杰教授，許并社教授，和昆士蘭科技大學(xué)孫子其教授，太原理工大學(xué)為論文第一完成單位。

氧還原反應(yīng)（ORR）是燃料電池等清潔能源裝置的關(guān)鍵反應(yīng)，其緩慢的動力學(xué)是制約裝置整體效能的瓶頸。堿性電解質(zhì)是實際工業(yè)應(yīng)用更理想的介質(zhì)，但鉑族金屬（PGM）表面難以在堿性介質(zhì)中達到最佳的氧結(jié)合強度。因此，開發(fā)高性能的堿性O(shè)RR電催化劑是推進燃料電池工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。原子層厚度二維金屬納米片具有較大的活性比表面積和獨特的電子結(jié)構(gòu)，在ORR催化領(lǐng)域表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。而二維金屬納米片極大的長徑比和多層堆疊現(xiàn)象限制了電化學(xué)反應(yīng)過程中的縱向傳質(zhì)，通過引入均勻分布的納米孔不僅可以增強二維金屬納米片的傳荷與傳質(zhì)能力，而且有助于暴露孔道邊緣的活性晶面和不飽和配位原子，從而達到協(xié)同增強電催化性能的效果。

本研究通過一種簡便的室溫還原方法，實現(xiàn)了具有豐富納米多孔結(jié)構(gòu)的二維鈀納米片（Pd NM）克級制備，與納米片正常晶格間距相比，在納米孔內(nèi)邊緣晶面間距明顯增大，通過孔內(nèi)邊緣重構(gòu)（HIER）和高活性晶面的充分暴露有效提升了催化能力。通過球差校正顯微技術(shù)（AC-TEM）、X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜（EXAFS）和X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)譜（XANES）等手段對Pd NM催化劑的多孔形貌及孔內(nèi)晶面重構(gòu)現(xiàn)象進行精確表征（圖1）。

圖1 Pd NM的形貌、電子結(jié)構(gòu)及局部原子配位環(huán)境分析

利用HIER構(gòu)建的納米多孔結(jié)構(gòu)顯著提高了Pd NM的催化活性，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，即使在堿性介質(zhì)中也具有更強的環(huán)境耐久性，并且與商用Pt/C和Pd/C催化劑相比，具有更高的質(zhì)量活性（MA）和比活性（SA）。具體來說，如圖2所示，在0.1 M KOH溶液中，Pd NM的質(zhì)量活性分別比商用Pt/C催化劑和Pd/C催化劑在0.9 V_RHE下的ORR催化活性提高27.8倍和23.6倍，超過了近年來報道的大多數(shù)Pd基催化劑的性能。當(dāng)組裝成氫燃料電池（AEMFC）時，在高電流密度下具有出色的傳質(zhì)性能，峰值功率密度為0.86 W cm^?2。這得益于Pd NM的多孔結(jié)構(gòu)和高達156.8 m² g^?1_Pd的活性比表面積（ECSA）。

圖2 Pd NM/C及其他貴金屬基催化劑的ORR和AEMFC性能測試

為了理解HIER如何改變電子結(jié)構(gòu)并優(yōu)化ORR催化活性，對其進行了第一性原理計算（DFT）（圖3）。結(jié)果表明：當(dāng)最外層晶面拉伸率增大到m₄（25%）時，決速步的反應(yīng)能壘從0.919 eV降低到0.825 eV，這表明HIER在緩解氧中間體的過度吸附方面起著重要作用。

圖3 Pd NM催化劑的DFT理論計算

該研究不只為具有增強催化活性的二維多孔材料中的納米孔提供了一種獨到的結(jié)構(gòu)論證和相應(yīng)的理論解釋，更加證明了貴金屬基催化劑的催化能力。

這項工作得到了國家自然科學(xué)基金、山西省自然科學(xué)基金、山西省科技創(chuàng)新重點團隊、澳大利亞研究委員會等項目的支持，關(guān)鍵數(shù)據(jù)使用了太原理工大學(xué)分析測試與儀器共享中心、昆士蘭科技大學(xué)高性能計算中心和澳大利亞國家計算基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412051