摘要：美国普林斯顿大学Wenhan Niu, Bruce E. Koel以及印度理工学院Srimanta Pakhira教授团队携手在Nature Materials期刊上发表了题为「Reaction-driven restructuring of defectiv

美国普林斯顿大学Wenhan Niu, Bruce E. Koel以及印度理工学院Srimanta Pakhira教授团队携手在Nature Materials期刊上发表了题为「Reaction-driven restructuring of defective PtSe₂ into ultrastable catalyst for the oxygen reduction reaction」的最新论文。通过在氧气饱和电解液中进行电化学循环，研究人员成功地对DEF-PtSe₂进行重构，从而提高其催化活性。实验结果表明，经过42,000个循环的DEF-PtSe₂催化剂的比活性和质量活性分别提高了1.3倍和2.6倍，并且即使在经过126,000个循环后，其性能依然优越，显示出极佳的耐久性。

研究背景

随着氢能和燃料电池技术的迅速发展，开发高效且耐用的催化剂以优化氧还原反应（ORR）成为了当前的研究热点。作为燃料电池的关键反应，ORR的催化效率直接影响了燃料电池的性能和经济性，尤其是在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的商业化进程中。传统铂基催化剂虽然在ORR中表现出色，但其高成本和耐久性问题限制了其广泛应用。此外，铂的稀缺性以及在酸性环境中，合金中3d过渡金属的快速浸出等问题，进一步加大了催化剂开发的难度。

在众多替代材料中，PtM（M = S、Se、Te）二硫族化合物因其独特的二维结构、高比表面积和稳定的化学性质，受到了广泛关注。这类材料具有丰富的活性位点和较低的铂使用量，理论计算显示，单层PtTe的氧还原反应性能优于传统铂催化剂，然而它们在实际应用中的潜力却未得到充分挖掘。由于PtM二硫族化合物在厚度变化时，其电子和催化性能也会随之改变，因此深入理解这些材料的催化机制显得尤为重要。

为了解决这一问题，研究人员进行了大量实验，试图通过合金化和表面修饰等方法来提升铂基催化剂的性能，但大多数方法依然未能有效克服传统铂催化剂的耐久性和活性问题。为此，科学家们开始探索通过电化学循环重构缺陷铂二硒化物（DEF-PtSe₂）作为新型ORR催化剂的可能性。

研究内容

为了解决上述问题，美国普林斯顿大学Wenhan Niu, Bruce E. Koel以及印度理工学院Srimanta Pakhira教授团队研究的主要目标是合成一种具有优异ORR性能的DEF-PtSe₂催化剂。通过在氧气饱和电解液中进行电化学循环，研究人员成功地对DEF-PtSe₂进行重构，从而提高其催化活性。实验结果表明，经过42,000个循环的DEF-PtSe₂催化剂的比活性和质量活性分别提高了1.3倍和2.6倍，并且即使在经过126,000个循环后，其性能依然优越，显示出极佳的耐久性。为了深入理解催化机制，我们还利用混合密度泛函理论（DFT）计算了DEF-PtSe₂的电子特性及其ORR反应路径。

1. 实验首次合成缺陷铂二硒化物（DEF-PtSe₂）催化剂，通过在铝箔上硒化薄铂膜，并采用强碱和酸溶液进行蚀刻，成功获得了一种高效的氧还原反应（ORR）催化剂。

2. 通过电化学循环激活DEF-PtSe₂催化剂，在氧气饱和的电解液中进行42,000个ORR循环后，DEF-PtSe₂催化剂表现出1.3倍的比活性和2.6倍的质量活性，相比于商业Pt/C电催化剂，其性能显著提升。

3. DEF-PtSe₂催化剂经过126,000个循环后仍保持优越性能，其比活性和质量活性分别是商业铂催化剂的2.89倍和4.53倍，展示了其作为耐用ORR催化剂的巨大潜力。

4. 量子力学计算支持实验结果，通过混合密度泛函理论（DFT）计算，揭示了DEF-PtSe₂的催化机制，表明其优异的ORR性能源于Pt纳米颗粒与表面顶端活性位点的协同效应。

图1 | 缺陷二硒化铂defective platinum diselenide，DEF-PtSe₂的结构和组成。

图2 | DEF-PtSe₂（42,000）的结构和组成。

图3 | 不同电极的电化学性能。

图4 | DEF-PtSe₂（42,000）的形成机制。

图5 | Pt/C和DEF-PtSe₂（42,000）的抗中毒Anti-poisoning试验。

图6 | 电子性质计算和自由能图。

科学启迪

本文的研究揭示了通过在PtSe₂催化剂表面创造结构缺陷和电化学激活的方法，显著提升其对氧还原反应（ORR）的催化性能。DEF-PtSe₂催化剂的优越表现主要源于Pt与PtSe₂之间的强相互作用，这一发现为催化剂设计提供了新的思路。通过密度泛函理论（DFT）计算，作者深入探讨了催化反应的机制，确认了Pt顶原子活性位点的协同效应在ORR中的关键作用。这表明，在催化剂的设计中，合理控制结构缺陷和表面活性位点的分布，能够有效提升催化效率。此研究不仅为Pt基催化剂的优化提供了理论支持，也为二维材料在燃料电池等能源转换设备中的应用开辟了新的方向。未来的研究可以进一步探索其他二维材料的结构调控与性能关系，推动高效催化剂的发展，助力可再生能源技术的进步。

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来源：Future远见