近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所微納技術(shù)與器件研究室研究員李越課題組在可控制備多孔金-銀-鉑（AuAgPt）合金納米材料及其甲醇催化研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A ( J. Mater. Chem. A, DOI: 10.1039/c8ta04087g )上。

 

       近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國對能源的需求日益增加。化石能源作為目前全球消耗的最主要能源，在給我們帶來方便的同時(shí)，也對地球環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。因此，開發(fā)可代替化石能源的清潔能源變得越來越重要。燃料電池是一種能把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，它是繼水力、火力、原子能發(fā)電方式之后的“第四種發(fā)電方式”；因具有節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高、接近零排放的優(yōu)點(diǎn)；已成為解決能源和環(huán)境問題的重要途徑。

 

       其中，甲醇燃料電池因具有工作效率高、環(huán)境友好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備。相比于氫能源，甲醇是一種更加便宜的液態(tài)燃料，便于存儲、易運(yùn)輸，且具有更高的理論能量密度，因此甲醇燃料電池在新能源領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用潛力。

 

       目前，甲醇燃料電池的催化劑主要采用鉑納米材料制成，但是傳統(tǒng)鉑納米材料在制備過程中，會產(chǎn)生毒化、析出等副作用，使得鉑納米催化劑的有效面積活性和質(zhì)量活性逐漸降低，嚴(yán)重影響了甲醇燃料電池的使用壽命。此外，制備鉑納米材料所需的金屬鉑儲存量低、價(jià)格昂貴、成本高，十分不利于電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

 

       為了提高甲醇燃料電池催化劑的催化活性和穩(wěn)定性，人們已通過多方法制備出了具有不同結(jié)構(gòu)的鉑及鉑基納米催化劑，例如：具有高指數(shù)晶面的鉑納米粒子、空心鉑鈀合金、鉑鎳合金、銀鉑合金等，但這些材料的制備方法大多工序復(fù)雜、反應(yīng)周期長，而且并不能很好地解決上述催化活性和穩(wěn)定性問題。

 

       李越課題組采用激光誘導(dǎo)法成功制備出三維多孔AuAgPt三元合金納米材料催化劑。他們首先將Au@Ag納米立方塊與氯鉑酸鉀反應(yīng)獲得Au@AgPt納米立方塊(Au@AgPt NCs)，再采用670～700伏的激光對Au@AgPt納米立方塊進(jìn)行激光輻照，使Au@AgPt納米立方塊快速熔融成實(shí)心AuAgPt合金納米球（solid AuAgPt NSs），然后通過化學(xué)刻蝕去除實(shí)心AuAgPt合金納米球中的部分銀，制得具有單分散的三維多孔AuAgPt三元合金納米球（spongy AuAgPt NSs）(圖1、圖2)。這種AuAgPt三元合金納米球不僅穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鉑納米材料，而且具有大的比表面積和高密度活性位點(diǎn)，易吸附反應(yīng)物，能夠有效地提高催化活性，其對甲醇催化的質(zhì)量活性（1.62 A mgPt-1）分別是實(shí)心AuAgPt合金納米球（0.35 A mgPt-1）和商業(yè)化鉑黑（Pt black）（0.32 A mgPt-1）的 4.6 和 5.1 倍。這些優(yōu)異的性能得益于材料本身的多孔結(jié)構(gòu)以及材料表面的高指數(shù)晶面、晶格扭曲和孿晶界的存在。該項(xiàng)研究結(jié)果從一定程度上解決了燃料電池使用時(shí)催化劑催化活性不高、穩(wěn)定性差和電池使用壽命短等問題。

 

       以上研究得到了中科院交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

 

 

       圖1. (a)-(b) 分別為AuAgPt三元合金納米球的場發(fā)射掃描電子顯微鏡和透射電鏡圖；(c) AuAgPt三元合金納米球的高角環(huán)形暗場-掃描投射圖片和元素分布圖；（d）線掃元素分布圖；（e）AuAgPt三元合金納米球的X射線衍射圖譜。

 

 

       圖2. AuAgPt三元合金納米球的HRTEM圖。(a) 顆粒中存在的孿晶界和高指數(shù)晶面；(b) 晶格畸變的局部放大圖。