铂基电催化剂应变工程研究进展
铂基电催化剂应变工程研究进展
铂（Pt）基催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中扮演着至关重要的角色，但其高成本和有限的可获取性一直是制约其广泛应用的主要障碍。近年来，应变工程作为一种有效提升Pt基催化剂性能的方法，受到了广泛关注。近日，Frontiers in Energy发表了一篇综述文章，详细阐述了应变工程在Pt基电催化剂中的应用及其对氧还原反应（ORR）的优化作用。
研究背景
寻找高效且耐用的氧还原反应（ORR）电催化剂对质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的发展至关重要。尽管铂（Pt）被广泛使用，但其高成本和有限的可获取性促使科学界探索提高铂基材料的催化效率和耐久性的策略。其中，应变工程通过控制催化剂的电子结构优化其催化行为，显示出了良好的前景。
应变工程在Pt基催化剂中的应用
由Xiaogang Fu、Yan Zhang和Wanglei Wang等撰写的这篇综述深入阐明了应变对Pt基电催化剂在氧还原反应（ORR）中的提升作用，解释了应变干预导致催化剂化学吸附能变化的内部机制；总结了通过应变工程设计和合成应变丰富电催化剂（SRE），并介绍了一些精确控制催化剂合成过程中应变状态的方法；总结并展望了从基础研究角度出发，实际调整Pt基催化剂应变的潜在应用前景和挑战。
图1 （a）Pt（111）上四电子 ORR 路线的自由能态图示;（b）不同金属中d带位置的比较示意图;（c）O在Pt（111）上化学吸附过程中d带变化的示意图; （d）ORR步骤中不同金属的化学吸附能和不同含氧物质之间的自由能关系的比较
研究表明，表面应变工程可以有效调节铂基催化剂的电子结构，从而提高催化性能。通过施加外部应力或合成核壳结构、合金和富缺陷材料，研究人员可以引入改变催化剂原子间距和晶格参数的受控应变。这反过来又影响了金属离子电子云的分布及其相互作用，从而精确控制d带水平的位置，这与吸附能力和物质运输速率的管理直接相关。
研究意义
本综述的发现对可持续能源系统的未来至关重要。通过为开发更高效的铂基电催化剂提供路线图，该研究有助于降低与PEMFC相关的成本。此外，对应变工程的深入理解可能扩展到其他催化系统，从而在催化领域产生更广泛的影响。
文章信息
Strain engineering of Pt-based electrocatalysts for oxygen reaction reduction
Zeyu WANG, Yanru LIU, Shun CHEN, Yun ZHENG, Xiaogang FU, Yan ZHANG, Wanglei WANG
Abstract:
Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are playing irreplaceable roles in the construction of the future sustainable energy system. However, the insufficient performance of platinum (Pt)-based electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR) hinders the overall efficiency of PEMFCs. Engineering the surface strain of catalysts is considered an effective way to tune their electronic structures and therefore optimize catalytic behavior. In this paper, insights into strain engineering for improving Pt-based catalysts toward ORR are elaborated in detail. First, recent advances in understanding the strain effects on ORR catalysts are comprehensively discussed. Then, strain engineering methodologies for adjusting Pt-based catalysts are comprehensively discussed. Finally, further information on the various challenges and potential prospects for strain modulation of Pt-based catalysts is provided.
Cite this article:
Zeyu WANG, Yanru LIU, Shun CHEN, Yun ZHENG, Xiaogang FU, Yan ZHANG, Wanglei WANG. Strain engineering of Pt-based electrocatalysts for oxygen reaction reduction. Front. Energy. 2024, 18(2): 241-262