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通過電催化方法實現(xiàn)化學(xué)能與電能的有效相互轉(zhuǎn)化，則是許多可再生能源計劃的核心。氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)的緩慢動力學(xué)，長期以來一直是該領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一，且通常需要采用昂貴的鉑基金屬催化劑來保證催化過程的活性和穩(wěn)定性。合金化、表面應(yīng)力和優(yōu)化的配位環(huán)境的使用，使鉑基納米晶在酸性介質(zhì)中具有很高的ORR活性；然而，在堿性環(huán)境下提高該反應(yīng)活性仍然存在困難，因為在氫氧化物存在下，很難實現(xiàn)對鉑基金屬的最佳氧結(jié)合強度。在這里，我們證明了PdMo雙金屬烯(一種高度彎曲亞納米級厚度金屬納米片形式的鈀鉬合金)是堿性電解質(zhì)中ORR和OER的高效、穩(wěn)定的電催化劑，在鋅-空氣和鋰-空氣電池中展現(xiàn)出良好的電池性能。PdMo雙金屬烯的薄層結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)較大的電化學(xué)活性表面積(138.7平方米/克鈀)以及高的原子利用率；在堿性電解質(zhì)中催化ORR時，相對于可逆氫電極，PdMo雙金屬烯能在0.9V電位達(dá)到16.37 A/mgPd的電流密度。該質(zhì)量比活性分別是工業(yè)Pt/C和Pd/C催化劑的78倍和327倍，在30000次循環(huán)后幾乎沒有衰減。密度泛函理論計算表明，合金效應(yīng)、彎曲幾何引起的應(yīng)變效應(yīng)和薄片厚度引起的量子尺寸效應(yīng)可以調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化催化劑表面氧結(jié)合。鑒于PdMo金屬烯的性質(zhì)和構(gòu)效關(guān)系，我們認(rèn)為其他金屬烯材料在能量電催化方面具有廣闊的應(yīng)用前景
Fig. 1：PdMo雙金屬烯的形貌、結(jié)構(gòu)和組成表征。PdMo雙金屬烯的(a)低倍HAADF-STEM，(b)高倍HAADF-STEM和(c) TEM 圖。PdMo雙金屬烯的(d)AFM圖和(e)相應(yīng)的高度剖面圖。(f)單片雙金屬烯納米薄片的高分辨率HAADF-STEM圖。工業(yè)Pd/C、Pd金屬烯和PdMo雙金屬烯催化劑的(h)PXRD圖譜和(i)XPS譜。
Fig. 2：PdMo雙金屬烯/C、Pd金屬烯/C、工業(yè)催化劑Pt/C和Pd/C的電催化性能。該催化劑(相對于RHE)在0.1 M KOH中0.9 V電位下的(a)ORR極化曲線和(b)質(zhì)量比活性的比較。該催化劑的(c)ECSAs 、(d)ORR極化曲線和(e)質(zhì)量活度變化。
Fig. 3：DFT計算氧吸附能和d帶中心。(a)左邊：四層PdMo雙金屬烯原子模型的側(cè)視圖。右邊：原子模型的俯視圖。(b)PdMo雙金屬烯的?EO為壓縮(負(fù))和拉伸(正)應(yīng)變的函數(shù)。水平紅線表示最優(yōu)?EO值。(c)在體鈀、四層鈀板(Pd 4L)和PdMo中，表面鈀原子的d帶電子密度的預(yù)測。水平虛線表示計算出的d波段中心。
相關(guān)研究成果于2019年由北京大學(xué)郭少軍課題組，發(fā)表于Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-019-1603-7 ) 上。原文：PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis
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