继Nature Materials后，华科李箐再发Nature Catalysis！

第一作者：Jiashun Liang, Shenzhou Li, Xuan Liu

通讯作者：李箐

通讯单位：华中科技大学

论文速览

贵金属纳米线电催化剂的制备受到面心立方结构热力学对称生长的极大限制。本论文提出了一种气体平衡吸附策略（GBAS），用于制备超薄的钯（Pd）、铂（Pt）和金（Au）基纳米线（NWs），这些纳米线的直径小于2 nm。通过控制合成过程中现场生成的氢气（H₂）和一氧化碳（CO）之间的竞争吸附，成功制备了包含3种贵金属作为宿主元素和14种金属作为客体元素的43种纳米线组合。

其中，含有间隙氢的三元Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁纳米线在0.9 V的碱性条件下对氧还原反应（ORR）表现出优异的质量活性（11.1 A mg^-1_PGM）和比活性（13.9 mA cm^-2）。原位X射线吸收光谱（XAS）测量揭示了在应用电位下，Pd-Pd键长和应变的变化，表明Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁纳米线在相关电位下表现出更大的压缩应变以及低氧覆盖率。

理论计算表明，间隙氢诱导了钯和氢之间的s-d轨道相互作用，从而增强了氧还原反应的活性。此外，Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁纳米线在70 °C的无CO的H₂/空气中的阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）中提供了0.87 W cm^-2的高功率密度。

图文导读

图1：Pd基纳米线的形貌表征，包括不同成分的纳米线的透射电子显微镜（TEM）图像和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。

图2：Pt基和Au基纳米线的形貌表征，包括不同成分的纳米线的TEM图像。

图3：Pt基、Pd基和Au基纳米线库概况及形成机理。

图4：PdH_x基纳米线的晶体结构表征，包括X射线衍射（XRD）图谱、X射线吸收近边结构（XANES）和原子分辨率HAADF-STEM图像。

图5：Pd基纳米线在0.1 M KOH中的电化学ORR测试结果，包括质量活性、极化曲线、活性比较和间隙氢对活性的影响。

图6：PdH_x基纳米线增强ORR活性的机理研究。

图7：燃料电池中Pd基和Pt基纳米线作为阴极催化剂的性能，包括极化曲线、功率密度和耐久性测试结果。

总结展望

本研究开发了一种通用的气体平衡吸附策略，用于制备超薄的贵金属基多金属纳米线库，包括高熵合金和不相溶合金。通过控制合成过程中的快速成核速率和CO与氢气的共吸附，打破了面心立方（fcc）晶格的对称性，实现了纳米线的各向异性生长。所制备的Pd基纳米线ORR电催化剂，特别是Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁纳米线，在0.9 V的碱性条件下展示了卓越的质量活性，是迄今为止性能最佳的ORR电催化剂之一。

原位XAS实验揭示了催化剂在ORR过程中应变的动态变化，间隙氢的存在显著提高了催化剂的本征ORR活性。在AEMFCs中，Pd₈₅Pt₈Ni₇H₄₁纳米线正极实现了0.87 W cm^-2的高功率密度，超过了商业Pt/C 。开发的Pt₇₄Ni₁₇Co₉纳米线催化剂在酸性条件下，在PEMFC中实现了高质量活性、电流密度和额定功率密度，且在30,000次循环后性能损失小于15%，超过了美国能源部（DOE）2025年的目标。本工作为生产1D贵金属基纳米线提供了一种新颖且迅速的策略，并为探索其在催化、电子学等领域的应用打开了大门。

文献信息

标题：Gas-balancing adsorption strategy towards noble-metal-based nanowire electrocatalysts

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01167-8