随着化石燃料的快速消耗和全球能源紧张局势的不断加剧，以燃料电池为代表的电化学能量转换过程被认为是未来可再生和清洁能源的理想选择之一。液体燃料电池通常由甲醇等有机小分子的氧化提供动力，其具有能量密度高、运输安全方便以及环境友好等特点。因此，开发新型高效的催化剂来提高其催化甲醇氧化反应的活性和稳定性具有十分重要的意义。目前，铂基纳米材料广泛应用于燃料电池催化领域，特别是二维超薄铂基纳米结构，由于其高比表面积和丰富的表面低配位原子，因而表现出优异的电催化性能。然而，二维超薄纳米片在电催化反应过程中不可避免发生纳米片之间的堆叠和团聚，从而导致其可接触的活性位点大幅减少而降低催化活性和稳定性。为了解决这一关键问题，急需发展一种行之有效的途径或策略来防止电催化反应过程中二维超薄纳米片的堆叠和团聚。
 
新加坡南洋理工大学/香港城市大学张华教授课题组和中科院物理研究所谷林研究员课题组合作，首次通过选择性元素偏析和电化学刻蚀法成功设计和制备出了新型的封装在钌纳米笼中的二维超薄铂铜钯纳米片，即铂铜钯@钌yolk-cage纳米复合结构（图1）。具体合成步骤如下：首先，以超薄铂铜纳米片（厚度为1~4原子层）为模板，通过水热法制备铂铜@钯核壳结构纳米片（厚度为3.4±0.8 nm）。然后，通过水热法继续在铂铜@钯核壳结构纳米片表面生长金属钌（厚度为5.5±0.9 nm）。在上述生长过程中，利用球差电镜表征观察到铜和钯元素发生了偏析现象，最终得到铂铜钯@钯铜@钌核壳结构纳米片。有意思的是，铂铜超薄纳米片最后转化为铂铜钯纳米片，钯壳层转化为钯铜壳层。接着，通过电化学法将铂铜钯@钯铜@钌核壳结构中间层的钯铜选择性刻蚀，成功制备出新型的铂铜钯@钌yolk-cage纳米复合结构。  
更重要的是，铂铜钯@钌yolk-cage纳米片具有独特的三维笼状结构，有利于反应物和产物分子的扩散和传质，并可有效避免铂铜钯纳米片在催化反应过程中发生堆叠和团聚等问题，从而充分将纳米片的上下表面暴露于反应物中。在碱性条件下的电催化甲醇氧化反应中，铂铜钯@钌yolk-cage纳米结构由于其多组分的协同效应、独特的三维笼状结构以及高比表面积，表现出优于铂铜纳米片和商业铂碳的催化活性和稳定性（图2）。这项工作为合理设计和开发新型的二维纳米材料及其在电化学领域的广阔应用前景提供了新的研究思路。  
这一成果近期发表在Journal of American Chemical Society 上，文章的第一作者是南洋理工大学的博士后Faisal Saleem和张志成，以及博士研究生崔晓亚和中科院物理所博士研究生拱越。
 

来源：x-mol.com