DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56240-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39837847
تاريخ النشر: 2025-01-21
المؤلف: Wensheng Jiao وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تعد خلايا الوقود ذات غشاء تبادل الأنيون (AEMFCs) أجهزة واعدة لتحويل الطاقة، ومع ذلك فإن استخدام البلاتين (Pt) كعامل حفاز رئيسي لتفاعل أكسدة الهيدروجين (HOR) عند الأنود يواجه تحديات، بما في ذلك الأداء المحدود والضعف أمام تسمم CO. تقدم هذه الدراسة محفزًا جديدًا، وهو سبيكة أحادية الذرة صغيرة الحجم من Ru₁Pt مدعومة بتسخين جول (s-Ru₁Pt@W₁/NC)، والتي تدعم على الكربون المخدر بالنيتروجين المعدل مع ذرات ولفرام (W) مفردة. إن التكوين الفريد لذرات Ru المفردة على جزيئات Ru₁Pt وذرات W المفردة على الدعم يعدل بشكل فعال الهيكل الإلكتروني لموقع Pt النشط، مما يؤدي إلى تحسين أداء HOR القلوي.
يظهر محفز s-Ru₁Pt@W₁/NC نشاطًا كتلويًا قدره 7.54 A mg⁻¹ (Pt+Ru) ويظهر استقرارًا ملحوظًا في إلكتروليت مشبع بـ 1000 ppm CO/H₂، حيث يحافظ على التشغيل لمدة 1000 ساعة مع انخفاض أداء قدره 24.60% فقط. توضح الحسابات النظرية بشكل أكبر أن التأثير التعاوني لذرات Ru القريبة وذرات W البعيدة يحسن الهيكل الإلكتروني لموقع Pt النشط، مما يحسن بشكل كبير كل من نشاط HOR وتحمل CO للمحفز.
الطرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة في تخليق ZIF-8. تشمل المواد المستخدمة نترات الزنك سداسية الماء من الدرجة التحليلية ($\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$)، ثلاثي كلوريد الروثينيوم ثلاثي الماء ($\text{RuCl}_3 \cdot 3\text{H}_2\text{O}$)، 2-ميثيل إيميدازول ($\text{C}_4\text{H}_6\text{N}_2$)، هكساكربونيل التنجستن ($\text{W(CO)}_6$)، أسيتيل أسيتون البلاتين ($\text{C}_{10}\text{H}_{14}\text{O}_4\text{Pt}$)، وهيدروكسيد البوتاسيوم ($\text{KOH}$)، جميعها مصدرها Adamas. تم استخدام الماء المقطر مرتين طوال التجارب.
شمل عملية التخليق إذابة 1.67 جرام من $\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$ و1.85 جرام من 2-ميثيل إيميدازول في 45 مل من الميثانول. تم دمج كميات متساوية من هذه المحاليل وتحريكها لمدة 20 ساعة في درجة حرارة الغرفة لتسهيل التفاعل. ثم تم جمع منتج ZIF-8 الناتج عبر الطرد المركزي بسرعة 9000 دورة في الدقيقة لمدة 3 دقائق، وغسله ثلاث مرات بالميثانول، ثم تجفيفه في فرن مفرغ عند 65 درجة مئوية لمدة 8 ساعات.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يبرز الاتجاهات البيانية المهمة، والنتائج الإحصائية، وأي علاقات تم ملاحظتها بين المتغيرات. غالبًا ما يتم توضيح النتائج من خلال الجداول، الرسوم البيانية، أو الأشكال، التي توفر تمثيلات بصرية للبيانات لتعزيز الفهم.
قد يتضمن القسم أيضًا مقارنات مع دراسات سابقة، مع التأكيد على كيفية توافق النتائج الحالية أو اختلافها عن الأدبيات المعتمدة. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة أي نتائج غير متوقعة أو شذوذ، جنبًا إلى جنب مع الآثار المحتملة للبحث المستقبلي أو التطبيقات العملية. بشكل عام، تساهم النتائج في الفهم الأوسع لموضوع البحث وتضع الأساس للنقاشات والاستنتاجات اللاحقة.
المناقشة
تناقش الدراسة تخليق وتوصيف s-Ru\(_1\)Pt@W\(_1\)/NC، وهو محفز كهربائي جديد تم تطويره من خلال عملية تسخين جول. شملت عملية التخليق عدة خطوات، بما في ذلك التحلل الحراري لـ W(CO)\(_6\) على الكربون المسامي المخدر بالنيتروجين (NC) وامتصاص لاحق لأيونات Pt\(^2+\) وRu\(^3+\)، مما أدى إلى تشكيل سبيكة أحادية الذرة. أكدت تقنيات التوصيف مثل مجهر الإلكترون الناقل (TEM)، ومطيافية فقدان طاقة الإلكترون (EELS)، ومطيافية الأشعة السينية للألكترونات (XPS) على التكوين الناجح لجزيئات سبيكة PtRu بحجم متوسط يتراوح بين 2-3 نانومتر ووجود ذرات Ru وW المعزولة على دعم NC. من الجدير بالذكر أن المسافة الشبكية للسبيكة أشارت إلى انكماش بسبب سبائك Pt مع ذرات Ru الأصغر، بينما ظلت ذرات W غير مخلوطة.
تم تقييم الأداء الكهروكيميائي لـ s-Ru\(_1\)Pt@W\(_1\)/NC لتفاعل أكسدة الهيدروجين (HOR)، مما أظهر نشاطًا متفوقًا مقارنة بـ PtRu/C وPt/C التجارية. أظهر المحفز نشاطًا كتلويًا ملحوظًا قدره 7.54 A mg\(_{Pt+Ru}^{-1}\) وحافظ على الاستقرار على مدى فترات طويلة، مع فقدان كثافة تيار قدره 6.2% فقط بعد 20 ساعة عند 0.05 فولت مقابل RHE. كشفت حسابات DFT أن إدخال Ru وW حسن بشكل كبير من طاقات الربط للوسائط الرئيسية (*H، *OH، و*CO)، مما يعزز كل من النشاط الحفاز وتحمل CO. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات s-Ru\(_1\)Pt@W\(_1\)/NC كمحفز عالي الكفاءة ومستقر لتطبيقات HOR القلوية، وذلك بفضل خصائصه الهيكلية والإلكترونية الفريدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56240-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39837847
Publication Date: 2025-01-21
Author(s): Wensheng Jiao et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
Anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) are promising energy conversion devices, yet the use of platinum (Pt) as the primary catalyst for the hydrogen oxidation reaction (HOR) at the anode presents challenges, including limited performance and vulnerability to CO poisoning. This study introduces a novel catalyst, a Joule heating-assisted synthesized small-sized Ru₁Pt single-atom alloy (s-Ru₁Pt@W₁/NC), which is supported on nitrogen-doped carbon modified with single tungsten (W) atoms. The unique configuration of single Ru atoms on the Ru₁Pt nanoparticles and single W atoms on the support effectively modulates the electronic structure of the active Pt site, leading to enhanced alkaline HOR performance.
The s-Ru₁Pt@W₁/NC catalyst demonstrates a mass activity of 7.54 A mg⁻¹ (Pt+Ru) and exhibits remarkable stability in a 1000 ppm CO/H₂-saturated electrolyte, maintaining operation for 1000 hours with only a 24.60% performance decay. Theoretical calculations further elucidate that the cooperative influence of the proximal Ru atoms and the distal W atoms optimizes the electronic structure of the active Pt site, significantly improving both the HOR activity and CO tolerance of the catalyst.
Methods
In this section, the methods employed for the synthesis of ZIF-8 are detailed. The materials used include analytical grade zinc nitrate hexahydrate ($\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$), ruthenium trichloride trihydrate ($\text{RuCl}_3 \cdot 3\text{H}_2\text{O}$), 2-methylimidazole ($\text{C}_4\text{H}_6\text{N}_2$), tungsten hexacarbonyl ($\text{W(CO)}_6$), acetylacetone platinum ($\text{C}_{10}\text{H}_{14}\text{O}_4\text{Pt}$), and potassium hydroxide ($\text{KOH}$), all sourced from Adamas. Doubly distilled deionized water was utilized throughout the experiments.
The synthesis process involved dissolving 1.67 g of $\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$ and 1.85 g of 2-methylimidazole in 45 mL of methanol. Equal volumes of these solutions were combined and stirred for 20 hours at room temperature to facilitate the reaction. The resulting ZIF-8 product was then collected via centrifugation at 9000 rpm for 3 minutes, washed three times with methanol, and subsequently dried in a vacuum oven at 65 °C for 8 hours.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It highlights significant data trends, statistical outcomes, and any observed relationships between variables. The results are often illustrated through tables, graphs, or figures, which provide visual representations of the data to enhance understanding.
The section may also include comparisons with previous studies, emphasizing how the current findings align or diverge from established literature. Additionally, any unexpected results or anomalies are discussed, along with potential implications for future research or practical applications. Overall, the results contribute to the broader understanding of the research topic and lay the groundwork for subsequent discussions and conclusions.
Discussion
The research discusses the synthesis and characterization of s-Ru\(_1\)Pt@W\(_1\)/NC, a novel electrocatalyst developed through a Joule heating process. The synthesis involved multiple steps, including the pyrolysis of W(CO)\(_6\) on porous nitrogen-doped carbon (NC) and subsequent adsorption of Pt\(^2+\) and Ru\(^3+\) ions, leading to the formation of a single-atom alloy. Characterization techniques such as transmission electron microscopy (TEM), electron energy loss spectroscopy (EELS), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the successful formation of PtRu alloy nanoparticles with an average size of 2-3 nm and the presence of isolated Ru and W atoms on the NC support. Notably, the lattice spacing of the alloy indicated a contraction due to the alloying of Pt with smaller Ru atoms, while W atoms remained unalloyed.
The electrocatalytic performance of s-Ru\(_1\)Pt@W\(_1\)/NC for the hydrogen oxidation reaction (HOR) was evaluated, demonstrating superior activity compared to commercial PtRu/C and Pt/C. The catalyst exhibited a remarkable mass activity of 7.54 A mg\(_{Pt+Ru}^{-1}\) and maintained stability over extended periods, with only a 6.2% current density loss after 20 hours at 0.05 V vs. RHE. DFT calculations revealed that the introduction of Ru and W significantly optimized the binding energies of key intermediates (*H, *OH, and *CO), enhancing both the catalytic activity and CO tolerance. Overall, the findings underscore the potential of s-Ru\(_1\)Pt@W\(_1\)/NC as a highly efficient and stable catalyst for alkaline HOR applications, attributed to its unique structural and electronic properties.