全面解讀厚僅1納米顯著提升小分子電催化性能的PdIr雙金屬烯

具有原子層厚度的二維金屬材料是極具前景的電催化材料，但其制備仍然極具挑戰(zhàn)。最近，北京大學(xué)郭少軍教授團(tuán)隊(duì)在《國家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR）發(fā)表研究論文，報(bào)道了一種新方法制備出的原子級(jí)厚度鈀-銥（PdIr）“雙金屬烯”（因結(jié)構(gòu)與石墨烯相似而命名），其平均厚度僅1.0 nm，約五個(gè)原子層，橫向尺寸在20-30 nm之間，且具有特殊的彎曲結(jié)構(gòu)。

PdIr雙金屬烯的制備流程

PdIr雙金屬烯的結(jié)構(gòu)形貌表征

電化學(xué)測試結(jié)果表明，該彎曲型PdIr雙金屬烯的電化學(xué)活性面積高達(dá)127.5±10.8 m2gPd+Ir-1，是目前報(bào)道的貴金屬催化劑中的佼佼者。而且，它在不同電催化反應(yīng)中均表現(xiàn)出優(yōu)異性能：

作為析氫反應(yīng)（HER）催化劑，PdIr雙金屬烯達(dá)到10 mA cm-2的過電位僅為34 mV，在70mV過電位下的質(zhì)量比活性為2.67 A mgPd-1，是商業(yè)化Pd/C催化劑的33倍（下圖a, b）。

作為甲酸氧化反應(yīng)（FAOR）催化劑，PdIr雙金屬烯在相對(duì)RHE為0.5 V電位下的質(zhì)量活性為2.7 A mgPd+Ir-1，5倍于商業(yè)化Pd/C催化劑（下圖c, d），代表了目前報(bào)道的Pd基FAOR催化劑的最高水平。

PdIr雙金屬烯的催化性能

研究者進(jìn)一步探討了PdIr雙金屬烯提升電催化反應(yīng)性能的機(jī)制。擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜和X射線衍射結(jié)果表明，不同于一般合金納米粒子，PdIr雙金屬烯中存在一定的本征晶格拉伸應(yīng)變(1.1%)。密度泛函理論計(jì)算揭示，雙金屬烯彎曲結(jié)構(gòu)帶來的晶格切向應(yīng)變，可以誘導(dǎo)其表面發(fā)生晶格畸變，從而形成具有不同配位狀態(tài)的表面Pd、Ir活性位點(diǎn)，有助于顯著降低電催化析氫反應(yīng)和甲酸氧化反應(yīng)的能壘，從而促進(jìn)電催化反應(yīng)。

PdIr雙金屬烯應(yīng)變效應(yīng)的理論計(jì)算

該工作深入揭示了這類‘金屬烯’材料獨(dú)特的應(yīng)變效應(yīng)，及其對(duì)提升電催化性能的有效性，為高效能源電催化應(yīng)用提供了重要的材料基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

該研究在球差電鏡分析方面與美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室蘇東研究員合作，在理論模擬方面與香港理工大學(xué)黃勃龍教授合作。研究受到國家杰出青年科學(xué)基金和首屆北京市杰出青年基金等項(xiàng)目資助。

編輯：jq