Верхняя половина иллюстрирует электронные свойства, индуцированные металлической связью и ковалентностью в интерметаллических соединениях на основе полуметалла и платины. В нижней половине показаны категории и структуры интерметаллических соединений полуметалла и платины. Кредит: Science China Press
По сравнению с другими типами батарей топливные элементы с протонообменной мембраной обладают преимуществами высокой разрядной мощности и отсутствия загрязнения, что также является важным носителем для преобразования и использования энергии водорода. Интерметаллические соединения платины играют важную роль в качестве электрокатализаторов в ряде энергетических и экологических технологий, таких как топливные элементы с протонообменной мембраной.
Однако процесс синтеза интерметаллических соединений платины необходимо реорганизовать в упорядоченные металлические связи Pt–M, обусловленные высокой температурой (~600°C), что обычно имеет серьезные побочные эффекты для структуры катализатора, такие как неравномерное распределение размера, морфологии, состава и структуры, что дополнительно влияет на производительность катализатора и батарей.
В ответ на этот вызов группа профессора Чанчжэна У из Китайского университета науки и технологий ввела атомы полуметаллов, такие как Ge, Sb, Te, в процесс синтеза интерметаллических соединений на основе платины. Исследование опубликовано в журнале National Science Review.
Химические связи, образованные между полуметаллическими элементами и атомами платины (Pt–Ge, Pt–Sb, Pt–Te), обладают как характеристиками металлических, так и ковалентных связей, тем самым преодолевая ограничение температуры синтеза для интерметаллических соединений платины. Это также полезно для электрокаталитической реакции топливных элементов с протонообменной мембраной.
Вследствие частичного заполнения p-орбиталей в элементах металлизации между атомами платины и полуметалла образуется обратная связь d-p π как сильное ковалентное взаимодействие. Эта сила может быть использована в качестве движущей силы для содействия упорядочению в процессе высокотемпературного синтеза интерметаллических соединений, тем самым преодолевая температурный предел для синтеза интерметаллических соединений платины.
Кроме того, характеристики как металлических, так и ковалентных связей могут дополнительно способствовать переносу электронов и заполнению орбиталей активных центров платины в топливных элементах, чтобы достичь улучшения каталитической активности и антитоксической способности.
Интерметаллические соединения полуметалл-платина могут быть синтезированы всего при 300 °C, и они показывают чрезвычайно высокую активность восстановления кислорода в условиях токсичности CO в электрохимических испытаниях топливных элементов (массовая активность 0,794 А мг−1 при напряжении 0,9 В, затухание 5,1% в условиях токсичности CO), что в 11 раз больше, чем у коммерческих катализаторов Pt/C.
Это исследование реализует связывание и оптимизацию орбиталей в синтезе катализаторов топливных элементов и рабочих условиях путем введения полуметаллов и дает новые идеи для рационального проектирования современных электрокатализаторов для топливных элементов.
Дополнительная информация: Хан Ченг и др., Ковалентное взаимодействие, вызванное полуметаллами, в платиновых катализаторах интерметаллиды для электрокатализа топливных элементов, National Science Review (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae233
Предоставлено Science China Press
