直接液體燃料電池(DLFC)具有高功率密度、環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點，被認為是緩解碳排放和能源枯竭問題的綠色能源載體之一。其中，堿性直接液體燃料電池因其比酸性燃料電池具有更快的動力學效應以及更高的效率而受到越來越多的關注。
特別是直接甲酸鹽燃料電池(DFFCs)，作為一種很有前景的能量轉換裝置卻由于陰極反應(氧還原反應，ORR)和陽極反應(甲酸鹽氧化反應，F(xiàn)OR)的效率低和動力學緩慢，而具有功率密度和電流密度低等問題，因此，開發(fā)高效、穩(wěn)定的DFFCs陰極、陽極催化劑至關重要。
基于此，西安交通大學李印實等人采用油浴還原法在溫和條件下合成了結構可控的三維花朵狀的PdCu納米片(NS)催化劑，并且可以作為DFFCs的雙功能電催化劑。
本文在相同的電化學測試條件下，通過循環(huán)伏安法(CV)測試評價了制備的PdM(M=Cu，Ni,和Co)納米片催化劑的FOR活性。測試結果表明，PdCu納米片的ECSA值(198.73 m2 gPd-1)大大高于商業(yè)Pd/C(16.03 m2 gPd-1)。此外，在1 M KOH+1 M HCOOK中，PdCu納米片催化劑的質量活性顯著提高，分別是PdCo，PdNi，Pd納米片和Pd/C的1.36，1.75，3.67和9.2倍。
結果表明，PdCu納米片的質量活性在5種催化劑中占主導地位。作為甲酸鹽燃料電池的陰極反應，催化劑的ORR性能也具有重要的研究意義。因此，本文在O2飽和的0.1 M KOH電解質中測試了制備的催化劑的ORR性能。根據測試發(fā)現(xiàn)，Pd/C的起始電位(Eo)和半波電位(E1/2)分別為0.88和0.78 V，極限電流密度(Jlim)為5 mA cm-2。通過銅原子的摻雜和自組裝的納米片結構，PdCu納米片催化劑的ORR活性顯著增強，對應的Eo和E1/2分別為0.90 V和0.868 V，Jlim為5.49 mA cm-2。與商業(yè)Pd/C催化劑相比，PdCu納米片催化劑表現(xiàn)出明顯的正電位偏移和更高的極限電流密度。
此外，PdCu納米片催化劑的ORR性能與Pt/C催化劑相當。更重要的是，由PdCu納米片催化劑組成的DFFCs顯示出較大的開路電壓和更高的峰值功率密度。以上結果均證明PdCu納米片狀催化劑具有優(yōu)異的催化活性，并且有實用的潛力。
對于催化劑的催化機理，本文結合了其他表征手段進行了深入分析。根據X射線光電子能譜(XPS)可以發(fā)現(xiàn)，與商業(yè)Pd/C催化劑相比，PdCu的結合能發(fā)生了正位移，這意味著Pd和Cu之間發(fā)生了電子轉移。峰的正移可能是由于Pd和Cu，相互作用引起的d帶中心的移動和電子云密度的變化，這可能極大地促進了催化劑電催化性能的提升。
此外，根據XPS還可以看出，PdCu納米片催化劑的Pd原子和Cu原子的存在主要以金屬態(tài)為主，高比例的Pd0可以增加PdCu納米片的游離Pd位點的數(shù)量，使反應物分子與Pd活性位點有更多的接觸，從而改善催化劑的催化性能。
簡而言之，具有高Pd原子配位的PdCu納米片結構催化劑能夠很好地促進小分子的吸附和活化，從而具有優(yōu)異的電催化性能。
結合XPS等表征結果以及電化學測試結果，本文得出了以下結論：由于制備的PdCu納米片催化劑具有獨特的三維納米片結構和較大的表面積，且Pd能帶中心向下移動，因此制備的PdCu納米片催化劑的FOR和ORR性能優(yōu)于商業(yè)Pd/C和Pt/C催化劑。總之，這項工作為提高非Pt基納米催化劑的催化性能提供了一種潛在的策略。
Ultrathin PdCu nanosheet as bifunctional electrocatalysts for formate oxidation reaction and oxygen reduction reaction, Small Methods, 2023, DOI: 10.1002/smtd.202300021.
https://doi.org/10.1002/smtd.202300021.
