【摘要】 武汉纺织大学陈嵘教授团队在《Advanced Functional Materials》发表研究，开发立方相PtBi₂金属间化合物催化剂，甲醇电氧化性能卓越。科学指南针提供DFT计算支持，助力反应机理解析与催化剂设计。

武汉纺织大学陈嵘教授团队在《Advanced Functional Materials》发表创新研究成果，开发立方相PtBi₂金属间化合物催化剂，在甲醇电氧化反应中展现出卓越的催化活性和稳定性。科学指南针为本研究提供密度泛函理论计算支持，助力反应机理深度解析与催化剂设计优化。

 

研究背景与甲醇电氧化挑战

燃料电池凭借低排放和高功率密度优势，成为未来能源系统的核心组成部分。甲醇作为小分子燃料具有高能量密度和明确氧化动力学特性，但甲醇氧化反应面临重大技术挑战。

​核心技术瓶颈：​​

  • 甲醇氧化反应动力学速率低，制约燃料电池效率

  • 铂基催化剂易受CO中间体毒化，活性和耐久性不足

  • 铂地壳储量有限，亟需降低铂使用量

  • 需要开发高活性、高稳定性替代催化剂

 

创新方法：金属间化合物设计策略

研究团队通过精确调控溶剂热合成条件，成功制备立方相PtBi₂金属间化合物，突破传统铂基催化剂性能限制。

​技术突破要点：​​

  • 开发简便溶剂热法合成原子级有序PtBi₂金属间化合物

  • 通过体系酸碱性调控实现立方相和六方相可控合成

  • Bi引入优化Pt电子结构，增强OH吸附，减弱CO吸附

  • 金属间化合物结构提供优异稳定性和抗毒化能力

 

材料合成与结构表征

采用溶剂热合成法成功制备立方相和六方相PtBi₂金属间化合物，通过多尺度表征手段确认晶体结构和化学组成。

​结构特征验证：​​

  • XRD显示优异结晶性，Pt和Bi以单质态存在

  • EDX和XPS证实元素分布均匀，比例接近理论计量比

  • HAADF-STEM可视化原子尺度有序结构

  • XAFS分析确认键长和配位数，证实长程有序性

图1. PtBi2金属间化合物的合成及结构表征

图2. PtBi2金属间化合物有序结构的确认

 

电催化性能评估

系统评估PtBi₂金属间化合物甲醇电氧化性能，展现出超越商业Pt/C催化剂的卓越表现。

​性能卓越表现：​​

  • 质量活性高达13.85 A·mgPt⁻¹，显著优于传统催化剂

  • 50小时恒电位电解后活性几乎无衰减

  • 立方相PtBi₂性能优于六方相，展现结构依赖性

  • 在当前已报道催化剂中处于性能领先地位

图3. PtBi2金属间化合物的MOR性能

 

反应机理与原位表征

通过原位光谱技术和CO溶出实验，深入研究甲醇氧化反应机理和抗毒化机制。

​机理研究突破：​​

  • 原位FTIR显示立方相PtBi₂具有更高*OH覆盖度

  • 对CO毒化表现出更强耐受性，加速反应动力学

  • CO溶出实验证实对CO中间体吸附能力减弱

  • 协同效应促进甲醇氧化反应速率提升

图4. 原位红外表征及CO溶出实验

 

理论计算与电子结构解析

密度泛函理论计算深入揭示PtBi₂电子结构调控机制和反应路径。

​计算研究发现：​​

  • Pt-5d轨道与Bi-6p轨道强耦合优化电子结构

  • 增强OH吸附能力，削弱CO吸附强度

  • 反应主要通过低能垒HCOOH路径进行（ΔGRDS=0.425 eV）

  • *CO解毒过程显著促进，提升抗毒化能力

  • 电子结构调控为优异性能提供理论支撑

图5. DFT计算

 

总结与展望

本研究开发的立方相PtBi₂金属间化合物为甲醇电氧化催化剂设计提供新思路，推动燃料电池技术发展。

​创新价值总结：​​

  • 原子级有序结构提供优异稳定性和催化活性

  • Bi引入优化电子结构，增强抗CO毒化能力

  • 简便合成方法有利于大规模制备和应用

​应用前景：​​

  • 为高性能燃料电池催化剂开发提供新材料体系

  • 推动甲醇燃料电池在便携设备和电动汽车中的应用

  • 为其他醇类电氧化催化剂设计提供借鉴

  • 促进清洁能源技术的发展和应用

论文信息：Advanced Functional Materials, 2024
DOI：10.1002/adfm.202424532

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