第一作者：Wei Zhang
通訊作者：Zhenxing Feng, Yang Yang
通訊單位：Oregon State University, University of Central Florida
研究內容：
由于鉑族金屬 (PGM) 催化劑的電子結構優(yōu)化和高利用率，利用強金屬-載體相互作用 (SMSI) 效應來促進催化劑對氧還原反應 (ORR) 的活性是有希望的。與傳統(tǒng)的碳載體相比，金屬氧化物作為 PGM 的替代載體促進了內在活性并提高了耐用性。然而，需要解決金屬/載體界面處受限的質量和電子轉移問題。在此，為了加強金屬/載體界面的相互作用并提高 PGM 的利用效率，將超低負載的 Pd 嵌入表面氧化的 PdNiMnO 多孔膜中。Mn 摻雜旨在使用簡便的陽極氧化工藝促進表面氧化，該工藝在 Pd 和載體之間產生充分暴露的界面，增強 Pd/氧化載體界面處的 SMSI 效應以提高 ORR 性能。此外，含鎳氧化催化劑既可作為析氧反應（OER）的活性成分，又可作為穩(wěn)定 Pd 的功能載體，使 PdNiMnO 成為鋅空氣液流電池（ZAFB）的雙功能催化劑。作為概念驗證，ZAFB (PdNiMnO) 的最大功率密度為 211.6 mW cm-2和超過 2000 小時的出色循環(huán)穩(wěn)定性，在 10 mA cm -2的電流密度下最小電壓間隙為 0.69 V，優(yōu)于最先進的催化劑。
要點一：
本文通過Mn摻雜促進多孔膜中的表面氧化，合理設計并驗證了SMSI效應。由于與Pd-支撐相互作用的強耦合，為ORR定制了Pd活性位點的電子結構，重新分配了局部電子密度。結果表明，ORR在PdNiMnO-PF中，除了中間體的二次吸附位點外，還實現(xiàn)了加速電子轉移和增強反應動力學。
要點二：
含氧支持也作為OER的活性階段，使PdNiMnO-PF對ZAFB具有雙功能能力。ZAFB(PdNiMnO)顯著提高了循環(huán)能力(超過2000h，4000次循環(huán))，峰值功率密度為211.6mWcm-2，并大大降低了電壓間隙(0.69V)。低鉑/功能加氧支持相互作用的概念為各種電化學能量應用的新型催化劑的設計提供了思路。
圖5：ZAFB的性能。(a)水鋅空氣流動電池工作原理示意圖。(b)PdNiMnO和Pt/C-RuO2的極化和功率密度曲線的比較。(c)PdNiMnO和Pt/C-RuO2基ZAFBs在不同電流密度下的放電行為的比較。(d)本工作和其他參考文獻的峰值功率密度與電壓間隙的特征圖。(e)ZAFB(PdNiMnO)在電流密度為10 mA cm-2下的長期電流放電-電荷循環(huán)穩(wěn)定性。
參考文獻
Wei Zhang, Jinfa Chang, Guanzhi Wang, Zhao Li, Maoyu Wang, Yuanmin Zhu, Boyang Li, Hua Zhou, Guofeng Wang, Meng Gu, Zhenxing Feng, Yang Yang. Surface oxygenation induced strong interaction between Pd catalyst and functional support for zinc–air batteries. EES, 2022. DOI: 10.1039/d1ee03972e.
