伍志鲲/廖玲文/杨军最新Angew：原子级精确的纳米Pt₂₃催化剂-兼具光热转换功能！

第一作者：Runguo Wang, Dong Chen

通讯作者：伍志鲲，廖玲文，杨军,

通讯单位：中科院固体物理所，中科院过程所

论文速览：

本研究成功合成了具有环境稳定性的原子级精确的~1 nm Pt₂₃ 纳米催化剂，并通过质谱和单晶X射线衍射分析对其进行了精确表征。

这些纳米催化剂在无需煅烧等预处理的情况下，展现出比商用Pt/C催化剂更高的催化活性，特别是在酸性条件下催化氧还原反应（ORR）。

此外，Pt₂₃ 纳米催化剂还表现出68.4%的光热转换效率，具有至少六次循环使用的潜力，为实际应用展示了巨大的潜力。

图文导读：

图1：通过混合配体保护策略平衡稳定性和催化活性的示意图。

图2：(a) Pt₂₃ 纳米团簇核心结构的顶视图和侧视图；(b) Pt₂₃ 核心中的黄金分割五边形环；(c) Pt₂₃ 核心外围的CO和Cl配位模式；(d) Pt₂₃ 纳米团簇中的保护配体的配位模式；(e) Pt₂₃ 纳米团簇的完整结构。

图3：(a) Pt₂₃ 纳米团簇沿x轴通过分子间H∙∙∙Cl键连接成链状结构；(b) 通过分子间H∙∙∙O键、π-π堆积和C-H∙∙∙π相互作用组装成的三维结构；(c) 三维结构中的分子间相互作用。

图4：(a) 在N₂饱和的0.1 M HClO₄溶液中，扫描速率为50 mV s⁻¹时的循环伏安图；(b) 在O₂饱和的0.1 M HClO₄溶液中，扫描速率为10 mV s⁻¹，转速为1,600 rpm时的ORR极化曲线；(c) 在0.9 V下Pt₂₃纳米团簇和商用Pt/C催化剂的活性比较；(d) 两个纳米催化剂的Tafel图；(e) 在不同转速下Pt₂₃纳米团簇的ORR极化曲线；(f) 经过10,000个电位循环前后Pt₂₃纳米团簇的ORR极化曲线。

图5：(a) Pt₂₃ 纳米团簇的D位点和Pt纳米颗粒的(111)面上ORR途径的自由能图；(b) 去除连接2层和3层的CO后，D位点的示意图；(c)-(e) D位点上ORR中间体OOH∗、O∗和OH∗的吸附模型。

图6：(a) 在532 nm激光照射下，不同浓度的Pt₂₃溶解于乙二醇中的红外热像图随时间变化；(b) Pt₂₃溶液的温度变化与不同浓度的关系；(c) 1 mg/mL Pt₂₃溶液在532 nm激光(1 W cm⁻²)照射下的光热稳定性测试。

亮点介绍：

1. 利用混合配体保护策略成功合成了最大的有机配体保护的~1 nm Pt₂₃ 纳米催化剂，具有环境稳定性。

2. Pt₂₃ 纳米催化剂在无需煅烧等预处理的情况下，展现出比商用Pt/C催化剂更高的催化活性，特别是在酸性条件下催化氧还原反应（ORR）。

3. 通过质谱和单晶X射线衍射分析精确表征了Pt₂₃ 纳米催化剂的结构，揭示了其独特的核结构和配位模式。

4. Pt₂₃ 纳米催化剂展现出68.4%的光热转换效率，具有至少六次循环使用的潜力，为实际应用展示了巨大的潜力。

5. 密度泛函理论(DFT)和d带中心计算解释了Pt₂₃ 纳米催化剂的高催化活性和光热性能，为未来超小型纳米电容器的应用提供了新思路。

密度泛函理论DFT计算：

研究者进行了DFT计算以探究Pt₂₃纳米催化剂的催化活性。计算结果显示，去除CO配体后形成的活性位点对于氧还原反应（ORR）具有更高的催化活性。

DFT计算还揭示了Pt₂₃纳米催化剂的d带中心相对于块材Pt的降低，这有助于减弱氧还原中间体在催化剂表面的吸附，从而提高催化活性。

通过DFT计算得到的自由能图表明，Pt₂₃纳米催化剂上的ORR过程的速率决定步骤（RDS）所需自由能较低，这解释了其比商用Pt/C催化剂更高的ORR活性。

DFT计算为理解Pt₂₃纳米催化剂的催化机制提供了重要的理论依据，并为实验结果提供了深入的解释。

文献信息：

标题：Atomically Precise Nanometer-Sized Pt Catalysts with an Additional Photothermy Functionality

期刊：Angew. Chem. Int. Ed.