技术物理系付恩刚课题组及合作者采用离子辐照增强PtPb/Pt二维纳米片电化学催化活性的研究取得重要进展

        燃料电池是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术,可以直接将燃料化学能转化为电能,具有发电效率高、环境污染小、比能量高等优点。在燃料电池能量转化过程中,催化剂活性是影响电池质量及其发展应用的关键问题,已成为国际前沿领域的研究热点。近年来,许多研究者通过化学合成的方法调控催化剂的形貌、尺寸和结构,以提高电化学催化活性。其中,具有核壳结构的PtPb/Pt二维纳米片是一种具有较高催化性能的电化学催化剂。

        近日,物理学院付恩刚课题组与工学院郭少军课题组合作,首次采用核技术方法,利用高能离子束辐照,对PtPb/Pt二维纳米片进行了原子尺度结构调控和修饰,极大地提高了纳米片的催化活性。在线辐照和原位透射电子显微镜(TEM)结果表明:通过入射高能离子与纳米片中靶原子相互作用,精确地控制纳米片微观结构的变化,利用键长变化和电子轨道杂化等机制来修饰表面原子的电子结构,从而增加催化反应活性位点,增强催化性能。同时,通过调节入射离子的剂量大小,可以有效地控制缺陷产生的数量及演化,得到具有不同催化活性的PtPb/Pt二维纳米片材料。通过将离子束辐照应用于电化学催化领域,付恩刚课题组及其合作者首次提出了一种新的增强催化活性的方法,有望进一步提高现有的纳米晶催化剂的催化活性,对燃料电池的应用和催化领域发展有着重要作用。该研究工作发表于近期《Small》 (DOI: 10.1002/smll.201702259) 上。北京大学的付恩刚研究员和郭少军研究员是本文的通讯作者,博士生孙英俊和博士生梁艳霞为文章的共同第一作者。

(a)-(b) 辐照前纳米片TEM图,(c)-(f) 辐照后纳米片TEM图 辐照前后纳米片甲醇氧化还原反应(MOR)测试结果:(a) CV曲线,(b) 面积活性及质量活性

        这项工作得到了国家自然科学基金,国家重点研发计划,国家磁约束核聚变能研究专项,国家青年人才项目和北京大学核物理与核技术国家重点实验室等支持。