最近, 上海交通大學材料科學與工程學院鄧濤團隊的鄔劍波研究小組在燃料電池納米電催化劑的原位液相腐蝕研究上取得重要進展. 該團隊利用透射電子顯微鏡即時研究燃料電池催化劑腐蝕動態過程, 揭示了催化劑在電催化反應應用中的性能失活機理, 對設計高穩定性的催化劑有著重要的指導意義.
隨著近年來燃料電池的急速發展, 急迫需要尋求一種高活性和高穩定性的燃料電池催化劑. 但是高活性催化劑多數是利用活潑金屬與鉑合金化, 形成金屬二元或者多元的固溶體或者核殼結構, 伴隨著電催化反應的進行會出現活潑金屬組分大量持續的腐蝕析出現象, 從而破壞了最優合金組分, 大大降低了金屬催化劑的反應活性, 嚴重影響催化劑穩定性, 這使得研究燃料電池腐蝕演化過程和機理非常必要.
圖1Pd@Pt納米立方體顆粒在TEM液相環境下的三種原位腐蝕
(a)無缺陷 (b)有角缺陷 (c)有面缺陷
圖2 三種Pd@Pt納米立方體顆粒的腐蝕速率比較
研究團隊利用原位透射電子顯微鏡技術, 在液相中即時觀察三種不同結構(無缺陷的, 角缺陷, 面缺陷)的Pd@Pt立方體電催化劑的腐蝕過程. 研究發現電偶腐蝕和鹵素腐蝕兩種腐蝕模式共同導致了顆粒內部Pd核的腐蝕溶解並最終形成Pt立方體外殼. 進一步的研究表明, 電偶腐蝕優先發生在配位數較低表面能較高的角處區域, 呈現由角向中心方向的緩慢腐蝕;鹵素腐蝕是由周圍液相環境中的Br-離子導致的沿著缺陷方向的快速腐蝕, 且其與電偶腐蝕之間存在著競爭與制約的關係. 研究發現通過對錶面缺陷的抑制控制是提高這類原子層核殼電催化劑由於腐蝕導致的穩定性的關鍵, 該研究對設計高穩定性的燃料電池催化劑有著重要的指導意義, 開闢了利用原位表徵技術研究催化劑穩定性的新手段.