近日，北京大學(xué)工學(xué)院郭少軍課題組研發(fā)了一類亞納米厚且高端卷曲的雙金屬鈀鉬納米片材料，其在堿性電解質(zhì)中展現(xiàn)出卓越的氧還原反應(yīng)（Oxygen reduction reaction，ORR）電催化活性和穩(wěn)定性，突破了陰極反應(yīng)的緩慢動(dòng)力學(xué)對(duì)于相關(guān)電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換/存儲(chǔ)器件的限制，顯著提升了鋅空電池和鋰空電池的性能。相關(guān)研究于2019年9月26日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。連接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1603-7。

化石能源的日益枯竭及所造成的環(huán)境污染、氣候變化等危機(jī)急需增加可再生的清潔能源在社會(huì)能源體系中的比重。然而，可再生能源的間歇性特征以及常規(guī)電網(wǎng)在長(zhǎng)途輸電過(guò)程中的高電能損耗和高造價(jià)等弊端極大地限制了可再生電能的直接使用。更為有效的方式為基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換器件首先將可再生電能儲(chǔ)存于含能分子的化學(xué)鍵中，再將這些含能分子運(yùn)輸至能源需求點(diǎn)并可控地釋放化學(xué)能。電化學(xué)反應(yīng)承載了此類化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，其反應(yīng)速率直接決定了能源轉(zhuǎn)換效率以及電化學(xué)器件的運(yùn)行功率，因此控制反應(yīng)速率的電催化劑至關(guān)重要。

燃料電池和金屬空氣電池是目前廣受關(guān)注的能源轉(zhuǎn)換裝置，其陰極ORR緩慢的動(dòng)力學(xué)及所需較高的貴金屬催化劑用量極大地限制了這兩類能源技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用，從而急需開(kāi)發(fā)高性能低成本的ORR電催化劑。由于其高活性和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，鉑族金屬（Platinum group metals, PGMs）納米材料是最常用的ORR電催化劑。郭少軍課題組之前的工作表明，理性控制金屬納米材料的表面應(yīng)變可顯著提高ORR電催化活性（Science, 2016, 354, 1410; Nature Reviews Materials, 2017, 2, 17059）?；谇捌诠ぷ骰A(chǔ)，郭少軍課題組研發(fā)了一類新型的亞納米厚且高度卷曲的雙金屬鈀鉬納米片（圖1）；鑒于其結(jié)構(gòu)類似于石墨烯及以往報(bào)道（Nature Communication 2014, 5, 3093），Z簡(jiǎn)稱為“雙金屬烯”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PdMo雙金屬烯的超薄結(jié)構(gòu)能顯著提高貴金屬Pd的原子利用率，實(shí)現(xiàn)超高的電化學(xué)活性面積（138.7 m2/gPd）。在0.9 V（參比于可逆氫電極）電位下，其ORR的質(zhì)量活性高達(dá)16.37 A/mgPd，較商業(yè)Pt/C和Pd/C催化劑分別高出78和327倍，同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性（30000圈循環(huán)掃描后，性能性能衰減低于30%）。密度泛函理論計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，雙金屬合金效應(yīng)、幾何卷曲引起的應(yīng)變效應(yīng)以及亞納米尺寸引起的量子效應(yīng)共同調(diào)控了表面Pd的電子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)氧結(jié)合能的優(yōu)化及氧還原催化性能的大幅提升（圖2）。PdMo雙金屬烯同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)氧化銥（IrO2）催化劑的析氧反應(yīng)（oxygen evolution reaction, OER）活性。更重要的是，PdMo雙金屬烯作為陰極電催化劑極大地提升了鋅空和鋰空電池的充放電性能。該工作對(duì)氧反應(yīng)電催化機(jī)理研究和新型高效燃料電池/金屬空氣電池陰極電催化劑的開(kāi)發(fā)具有借鑒意義，為下一代高性能低成本電催化劑的理性設(shè)計(jì)提供了全新思路。


圖1. 鈀鉬雙金屬烯的結(jié)構(gòu)表征。（a-c）電子顯微鏡圖片；（d, e）原子力顯微鏡圖片及厚度分析；（f）球差透射電子顯微鏡圖片


圖2. 鈀鉬雙金屬烯的性能評(píng)價(jià)及催化機(jī)理研究。（a）各催化劑的ORR極化曲線及（b）活性對(duì)比圖；（c）雙金屬烯的原子模型；（d）氧結(jié)合能與晶格應(yīng)變的關(guān)系；（e）不同材料中Pd元素的d帶中心位置

本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京首批杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車專項(xiàng)、北京大學(xué)工程科學(xué)與新興技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。郭少軍教授為論文的唯一通訊作者。駱明川博士是論文的第一作者。合作者包含美國(guó)加州州立大學(xué)Gang Lu（盧剛）教授和美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Dong Su（蘇東）研究員。