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ChemCatChem 2018年首期封面:高稳定性和高活性兼具的Au@C催化剂制备及限域协同效应

来源:新材料在线|

发表时间:2018-01-13

点击:952

直接甲醇燃料电池(DMFCs)是一种质子交换膜燃料电池,具有能量密度高、效率高、清洁度好,在常温下液体甲醇易于储存和输送等优点,因而在清洁能源发展中越来越受到人们的重视。催化剂是直接甲醇燃料电池中最重要的材料,但其高成本、易中毒失效、低催化活性密度等问题使催化性能不能提高到工业标准。因此,探索开发价格低廉、高性能和高稳定性的催化剂是近年来电催化剂主要研究方向。


杭州电子科技大学创新材料研究院张雪峰教授团队通过直流电弧放电等离子体法,在甲烷气氛下电弧放电蒸发Au金属,仅需一步合成具有核壳结构的Au@C催化剂。将3~5 nm纳米金簇局限于超薄、高缺陷密度的石墨壳层内,构造纳米尺度的核@壳耦合结构,不仅可以提高电导率,增大在甲醇氧化过程中离子、电子的渗透率,而且抑制金核团聚、长大,从而有利于提高电催化稳定性。更重要的是,利用Au/C异构界面增加活性位点密度,从而进一步提高催化剂电催化效率。


深入认识表面原子排列结构效应,揭示活性中心是至关重要的。通过密度泛函方法(DFT)和分子动力学(MD)等方法,进一步研究了Au/C异质界面协同催化效应的机理。在碳缺陷处的Au原子易与C原子形成Au-C键,且受到C-C键能的影响,使金之间的键能减弱,离开原始表面形成台阶状的金,从而导致在碳的缺陷处形成很多配位不饱和的Au原子。相比较内部金原子的配位数高达12,缺陷台阶处的金附近原子的配合数在5左右,不饱和程度明显且呈现出高的反应活性。该结果进一步说明具有高密度的低配位表面台阶,具有开放的表面结构,在发生甲醇反应时C-H及O-H键更容易发生断裂,催化活性和稳定性都会显著高于原子紧密排列的低指数晶面。该项工作开辟了制备异质界面设计催化材料的新思路,审稿人一致认为在该领域高度重要(Highly important),并被推荐为ChemCatChem 10 (2018)141-147期刊2018年首期封面介绍。



本项目得到国家自然科学基金、中组部千人计划青年项目等支持,特此致谢。


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