Nanoparticules hợp kim Pd-Sn cho phản ứng oxi hóa methanol điện hóa: sự tiến hóa pha từ dung dịch rắn đến các hợp chất kim loại liên kết

Nano Research - Tập 15 - Trang 8819-8825 - 2022
Jinna Xue1, Zheng Hu1, Hui Li1, Yu Zhang1,2, Chang Liu1, Min Li1, Qiuhua Yang1, Shi Hu1,2
1Department of Chemistry, School of Science, Tianjin Key Laboratory of Molecular Optoelectronic Science, Tianjin University, Tianjin, China
2Institute of Energy, Hefei Comprehensive National Science Center, Hefei, China

Tóm tắt

Phát triển các chất xúc tác hiệu quả với hoạt tính cao và độ bền qua chiến lược hợp kim là rất cần thiết cho quá trình chuyển đổi năng lượng trong nhiều phản ứng điện xúc tác khác nhau. Trong số các cấu trúc hợp kim khác nhau, các hợp chất kim loại liên kết (IMCs) đã nhận được nhiều sự quan tâm gần đây nhờ vào các hiệu ứng hình học và điện tử đặc biệt, cũng như hoạt tính và độ bền vượt trội, nhờ vào cấu trúc có trật tự của chúng. Trong nghiên cứu này, một loạt các tinh thể nano cấu trúc rỗng của hợp kim Pd-Sn, bao gồm dung dịch rắn lập thể tâm diện của Pd(Sn), IMCs của Pd2Sn và IMCs của Pd3Sn2, đã được chế tạo qua chiến lược solvo nhiệt bằng cách thay đổi tỉ lệ tiền chất của Pd và Sn. Sự khác biệt về cấu trúc của các tinh thể nano đã được nghiên cứu qua sự kết hợp của hiển vi điện tử và quang phổ, hỗ trợ bởi phân tích tách biệt nguyên tố cục bộ và quang phổ tia X. Trong tất cả các mẫu, IMCs Pd3Sn2 thể hiện hoạt tính ngoại thường trong phản ứng oxi hóa methanol (MOR) tính theo hoạt tính khối (1.3 A·mgPd−1) và hoạt tính đặc trưng (5.03 mA·cm−2). Thông qua các phép tính mô phỏng lý thuyết chức năng mật độ (DFT) trên ba mô hình hợp kim Pd-Sn khác nhau, hiệu suất đã được hiểu rõ. So với Pd(Sn) và Pd2Sn, động lực học MOR cao trên Pd3Sn2 nổi bật nhờ vào khả năng hấp thụ CO yếu hơn và khả năng hấp thụ kết hợp CO-OH thuận lợi.

Từ khóa

#hợp kim Pd-Sn #xúc tác điện hóa #oxi hóa methanol #hợp chất kim loại liên kết #hoạt tính của chất xúc tác

Tài liệu tham khảo

Kua, J.; Goddard, W. A. Oxidation of methanol on 2nd and 3rd row group VIII transition metals (Pt, Ir, Os, Pd, Rh, and Ru): Application to direct methanol fuel cells. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 10928–10941. Hui, F.; Li, C.; Chen, Y. H.; Wang, C. H.; Huang, J. P.; Li, A.; Li, W.; Zou, J.; Han, X. D. Understanding the structural evolution of Au/WO2.7 compounds in hydrogen atmosphere by atomic scale in situ environmental TEM. Nano Res. 2020, 13, 3019–3024. Liu, C.; Chen, Z. L.; Rao, D. W.; Zhang, J. F.; Liu, Y. W.; Chen, Y. N.; Deng, Y. D.; Hu, W. B. Behavior of gold-enhanced electrocatalytic performance of NiPtAu hollow nanocrystals for alkaline methanol oxidation. Sci. China Mater. 2021, 64, 611–620. Xu, C. J.; Zhang, Y.; Chen, J.; Li, S.; Zhang, Y. W.; Qin, G. W. Carbon-CeO2 interface confinement enhances the chemical stability of Pt nanocatalyst for catalytic oxidation reactions. Sci. China Mater. 202, 64, 128–136. Lou, W. H.; Ali, A.; Shen, P. K. Recent development of Au arched Pt nanomaterials as promising electrocatalysts for methanol oxidation reaction. Nano Res. 2022, 15, 18–37. Zhan, C. Y.; Li, H. Q.; Li, X. M.; Jiang, Y. Q.; Xie, Z. X. Synthesis of PdH0.43 nanocrystals with different surface structures and their catalytic activities towards formic acid electro-oxidation. Sci. China Mater. 2020, 63, 375–382. Chen, A. C.; Holt-Hindle, P. Platinum-based nanostructured materials: Synthesis, properties, and applications. Chem. Rev. 2010, 110, 3767–3804. Wang, W. N.; Gao, Y. C.; Jia, X. D.; Xi, K. A novel Au-Pt@PPy(polypyrrole) coral-like structure: Facile synthesis, high SERS effect, and good electro catalytic activity. J. Colloid Interface Sci. 2013, 396, 23–28. Yin, H. J.; Zhao, S. L.; Zhao, K.; Muqsit, A.; Tang, H. J.; Chang, L.; Zhao, H. J.; Gao, Y.; Tang, Z. Y. Ultrathin platinum nanowires grown on single-layered nickel hydroxide with high hydrogen evolution activity. Nat. Commun. 2015, 6, 6430. Kloke, A.; von Stetten, F.; Zengerle, R.; Kerzenmacher, S. Strategies for the fabrication of porous platinum electrodes. Adv. Mater. 2011, 23, 4976–5008. Li, C. L.; Sato, T.; Yamauchi, Y. Electrochemical synthesis of one-dimensional mesoporous Pt nanorods using the assembly of surfactant micelles in confined space. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 8050–8053. Li, Z. Y.; Liang, Y. J.; Jiang, S. P.; Shan, X. D.; Lin, M. L.; Xu, C. W. Electrooxidation of methanol and ethylene glycol mixture on platinum and palladium in alkaline medium. Fuel Cells 2012, 12, 677–682. Qiu, Y.; Hu, Z.; Li, H.; Ren, Q.; Chen, Y.; Hu, S. Hybrid electrocatalyst Ag/Co/C via flash Joule heating for oxygen reduction reaction in alkaline media. Chem. Eng. J. 2022, 430, 132769. Furukawa, S.; Komatsu, T. Intermetallic compounds: Promising inorganic materials for well-structured and electronically modified reaction environments for efficient catalysis. ACS Catal. 2017, 7, 735–765. Xu, H.; Yan, B.; Zhang, K.; Wang, J.; Li, S. M.; Wang, C. Q.; Shiraishi, Y.; Du, Y. K.; Yang, P. Facile fabrication of novel PdRu nanoflowers as highly active catalysts for the electrooxidation of methanol. J. Colloid Interface Sci. 2017, 505, 1–8. Wang, Y.; Zheng, X. B.; Wang, D. S. Design concept for electrocatalysts. Nano Res. 2022, 15, 1730–1752. Wang, Y.; Zheng, M.; Li, Y. R.; Ye, C. L.; Chen, J.; Ye, J. Y.; Zhang, Q. H.; Li, J.; Zhou, Z. Y.; Fu, X. Z. et al. p-d Orbital hybridization induced by a monodispersed Ga site on a Pt3Mn nanocatalyst boosts ethanol electrooxidation. Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61, e202115735. Qiu, Y. J.; Zhang, J.; Jin, J.; Sun, J. Q.; Tang, H. L.; Chen, Q. Q.; Zhang, Z. D.; Sun, W. M.; Meng, G.; Xu, Q. et al. Construction of Pd-Zn dual sites to enhance the performance for ethanol electro-oxidation reaction. Nat. Commun. 2021, 12, 5273. Xiao, W. P.; Lei, W.; Gong, M. X.; Xin, H. L.; Wang, D. Recent advances of structurally ordered intermetallic nanoparticles for electrocatalysis. ACS Catal. 2018, 8, 3237–3256. Espinosa, M. M. F.; Cheng, T.; Xu, M. J.; Abatemarco, L.; Choi, C.; Pan, X. Q.; Goddard III, W. A.; Zhao, Z. P.; Huang, Y. Compressed intermetallic PdCu for enhanced electrocatalysis. ACS Energy Lett. 2020, 5, 3672–3680. Kim, H. Y.; Kim, J. M.; Ha, Y.; Woo, J.; Byun, A.; Shin, T. J.; Park, K. H.; Jeong, H. Y.; Kim, H.; Kim, J. Y. et al. Activity origin and multifunctionality of Pt-based intermetallic nanostructures for efficient electrocatalysis. ACS Catal. 2019, 9, 11242–11254. Kumar, A.; Deka, S. PdSn hollow alloy nanoparticles prepared by in-situ galvanic replacement process for exclusive hydrogen evolution reaction and durable electrocatalysis. Appl. Catal. A: General 2020, 599, 117575. Shan, X. Y.; Sui, N.; Liu, W. G.; Liu, M. H.; Liu, J. In situ generation of supported palladium nanoparticles from a Pd/Sn/S chalcogel and applications in 4-nitrophenol reduction and Suzuki coupling. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 4446–4450. Wu, Z. L.; Shih, Y. J. Bimetallic palladium-tin nanoclusters, PdSn (200) and PdSn (101), templated with cationic surfactant for electrochemical denitrification toward N2 and NH4+ selectivity. Chem. Eng. J. 2022, 433, 133852. Freakley, S. J.; He, Q.; Harrhy, J. H.; Lu, L.; Crole, D. A.; Morgan, D. J.; Ntainjua, E. N.; Edwards, J. K.; Carley, A. F.; Borisevich, A. Y. et al. Palladium-tin catalysts for the direct synthesis of H2O2 with high selectivity. Science 2016, 351, 965–968. Xaba, N.; Modibedi, R. M.; Mathe, M. K.; Khotseng, L. E. Pd, PdSn, PdBi, and PdBiSn nanostructured thin films for the electro-oxidation of ethanol in alkaline media. Electrocatalysis 2019, 10, 332–341. Song, T. X.; Gao, F.; Zhang, Y. P.; Yu, P. E.; Wang, C.; Shiraishi, Y.; Li, S. J.; Wang, C. Q.; Guo, J.; Du, Y. K. Shape-controlled PdSn alloy as superior electrocatalysts for alcohol oxidation reactions. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2019, 101, 167–176. Du, W. X.; Mackenzie, K. E.; Milano, D. F.; Deskins, N. A.; Su, D.; Teng, X. W. Palladium-tin alloyed catalysts for the ethanol oxidation reaction in an alkaline medium. ACS Catal. 2012, 2, 287–297. You, H. M.; Gao, F.; Wang, C.; Li, J.; Zhang, K. W.; Zhang, Y. P.; Du, Y. K. Rich grain boundaries endow networked PdSn nanowires with superior catalytic properties for alcohol oxidation. Nanoscale 2021, 13, 17939–17944. Zhang, Y.; Huang, B. L.; Shao, Q.; Feng, Y. G.; Xiong, L. K.; Peng, Y.; Huang, X. Q. Defect engineering of palladium-tin nanowires enables efficient electrocatalysts for fuel cell reactions. Nano Lett. 2019, 19, 6894–6903. Chen, Q. L.; Yang, Y. N.; Cao, Z. M.; Kuang, Q.; Du, G. F.; Jiang, Y. Q.; Xie, Z. X.; Zheng, L. S. Excavated cubic platinum-tin alloy nanocrystals constructed from ultrathin nanosheets with enhanced electrocatalytic activity. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 9021–9025. Yin, Y. D.; Rioux, R. M.; Erdonmez, C. K.; Hughes, S.; Somorjai, G. A.; Alivisatos, A. P. Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale kirkendall effect. Science 2004, 304, 711–714. Shapiro, A.; Jang, Y.; Horani, F.; Kauffmann, Y.; Lifshitz, E. Kirkendall effect: Main growth mechanism for a new SnTe/PbTe/SnO2 anoo-heterostructure. Chem. Mater. 2018, 30, 3141–3149. Anderson, B. D.; Tracy, J. B. Nanoparticle conversion chemistry: Kirkendall effect, galvanic exchange, and anion exchange. Nanoscale 2014, 6, 12195–12216. Guo, X. Y.; Hu, Z.; Lv, J. X.; Li, H.; Zhang, Q. H.; Gu, L.; Zhou, W.; Zhang, J. W.; Hu, S. Fine-tuning of Pd-Rh core-shell catalysts by interstitial hydrogen doping for enhanced methanol oxidation. Nano Res. 2022, 15, 1288–1294.