聚吡咯负载PdSn合金纳米颗粒的简易合成及其高效电催化醇氧化性能研究

本研究针对碱性直接醇类燃料电池(ADAFCs)阳极催化剂成本高、动力学缓慢的问题，通过一步界面聚合法成功制备了聚吡咯(PPy)负载的Pd4Sn6合金纳米颗粒催化剂。该催化剂在乙二醇氧化(EGOR)和乙醇氧化(EOR)中分别实现7445.1和3823.8 mA mgPd?1的峰值电流密度，较商业Pd/C提升12.8和17.5倍，其优异性能源于Sn合金化对Pd d带中心的电子调控及金属-载体协同作用，为开发低钯负载高效催化剂提供了新思路。

　　

随着全球能源需求激增与气候变化加剧，开发清洁能源技术成为实现"双碳"目标的关键。碱性直接醇类燃料电池(ADAFCs)因其高能量密度和环境友好特性备受关注，但其商业化受限于昂贵的铂族金属催化剂和缓慢的醇类氧化动力学。钯(Pd)虽储量较高，但纯Pd催化剂易被CO中间体毒化且活性不足。现有研究通过合金化(如掺入Cu、Ni等)和载体优化(如碳材料)提升性能，但如何实现低贵金属负载下的高活性仍是重大挑战。

江西科技师范大学的研究团队创新性地采用室温界面聚合法，将PdSn合金纳米颗粒均匀负载于导电聚吡咯(PPy)载体，制备出Pd₄Sn₆/PPy催化剂。该材料在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中展现出卓越的醇类电催化性能：乙二醇氧化(EGOR)和乙醇氧化(EOR)的质量活性分别达商业Pd/C的12.8和17.5倍，同时具备优异的抗CO毒化能力。这一突破源自Sn合金化对Pd电子结构的精准调控，以及PPy载体π共轭体系与金属纳米颗粒的协同效应，为ADAFCs阳极催化剂设计提供了新范式。

关键技术包括：1) 无氧化剂单步界面聚合构建PdSn/PPy复合体系；2) 通过PdCl₄^2?与吡咯单体的氧化还原反应同步实现Pd还原与PPy聚合；3) 电化学测试系统评估EGOR/EOR性能；4) 结合SEM/TEM/XPS等表征手段解析结构-性能关系。

【材料与表征】
通过调控Pd/Sn摩尔比优化催化剂组成，SEM显示Pd₄Sn₆/PPy具有最优分散性。TEM证实合金纳米颗粒均匀分布在PPy载体上，平均粒径仅3.5 nm。XPS分析揭示Sn合金化使Pd的d带中心下移，减弱CO吸附能，这是提升抗毒化能力的关键。

【电催化性能】
在1 M KOH+1 M EG体系中，Pd₄Sn₆/PPy的峰值电流密度达7445.1 mA mg_Pd^?1，比活性(SA)为25.3 mA cm^?2。对于EOR，其质量活性(3823.8 mA mg_Pd^?1)远超文献报道的PdSn@NP-2(2463.8 mA mg^?1)。CO溶出实验表明其起始氧化电位负移0.12 V，证实Sn的引入促进OH_ads在低温生成，通过双功能机制加速CO去除。

【机理分析】
DFT计算显示PPy与PdSn间存在强电子相互作用：PPy的吡咯氮锚定金属颗粒防止团聚，同时其共轭结构促进电荷转移。Sn的氧亲和特性通过提供OH_ads促进Langmuir-Hinshelwood机制下的CO氧化，而Pd-Sn电子重排降低反应能垒，共同提升本征活性。

该研究通过创新性界面聚合策略，实现了低Pd负载下的高效醇类电催化。Pd₄Sn₆/PPy的卓越性能源于三大优势：1) Sn合金化精准调控Pd电子结构；2) PPy载体实现纳米颗粒稳定分散；3) 金属-载体协同效应促进电荷传输。这不仅为ADAFCs催化剂设计提供新思路，更拓展了导电聚合物在能源材料中的应用前景。未来研究可进一步探索其他非贵金属合金化体系，以及PPy微观结构对催化性能的调控规律，推动燃料电池技术的实用化进程。