Surface evolution of a Pt–Pd–Au electrocatalyst for stable oxygen reduction

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作者
Jian Li,Huiming Yin,Xi‐Bo Li,Eiji Okunishi,Yongli Shen,Jia He,Zhen‐Kun Tang,Wenxin Wang,Emrah Yücelen,Chao Li,Yue Gong,Lin Gu,Shu Miao,Yuandong Niu,Jun Luo,Yi Ding
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:2 (8) 被引量:385
标识
DOI:10.1038/nenergy.2017.111
摘要

Core–shell nanocatalysts have demonstrated potential as highly active low-Pt fuel cell cathodes for the oxygen reduction reaction (ORR); however, challenges remain in optimizing their surface and interfacial structures, which often exhibit undesirable structural degradation and poor durability. Here, we construct an unsupported nanoporous catalyst with a Pt–Pd shell of sub-nanometre thickness on Au, which demonstrates an initial ORR activity of 1.140 A mgPt−1 at 0.9 V. The activity increases to 1.471 A mgPt−1 after 30,000 potential cycles and is stable over a further 70,000 cycles. Using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy and atomically resolved elemental mapping, the origin of the activity change is revealed to be an atomic-scale evolution of the shell from an initial Pt–Pd alloy into a bilayer structure with a Pt-rich trimetallic surface, and finally into a uniform and stable Pt–Pd–Au alloy. This Pt–Pd–Au alloy possesses a suitable configuration for ORR, giving a relatively low free energy change for the final water formation from adsorbed OH intermediate during the reaction. Metal alloys possessing core–shell structures have potential as low-Pt catalysts for the oxygen reduction reaction in fuel cells, but can suffer from poor stability. Using high-resolution microscopy, Li et al. find that a Pt–Pd–Au catalyst undergoes surface atomic rearrangement and becomes more active on electrochemical cycling.
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