电荷极化的镧系元素配位策略使得稀土改性的金属烯电催化剂在活性与稳定性方面实现了协同效应

《Science China-Materials》：Charge-polarized lanthanide coordination strategy enables activity-stability synergy in rare earth-tailored metallene electrocatalysts

开发稀土掺杂Pd基金属烯催化剂，通过镧铈双掺杂形成Pd??La/Ce??活性位点，优化氧还原反应电子结构，实现半波电位0.903 V（vs. RHE）和20,000次循环<6%衰减，燃料电池峰值功率82.8 mW cm?2，建立稀土协调工程设计高稳定性多金属催化剂范式。

　　

摘要

开发出能够克服活性与稳定性之间矛盾的耐用电催化剂对于推动阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）的发展至关重要。在本研究中，我们通过基于镧系元素的二元金属配位作用，设计了一种含有稀土元素的钯基金属烯（PdLaCe），有效解决了氧还原反应（ORR）催化中的关键限制。实验表征与理论模拟相结合表明，La/Ce双重掺杂能够诱导电荷极化，形成Pd^δ?-La/Ce^δ+活性位点，从而通过d带中心的下移协同优化电子结构。这种结构使得氧中间体的吸附作用减弱，同时提高了材料在热循环过程中的结构稳定性。优化后的PdLaCe金属烯表现出卓越的ORR性能：半波电位达到0.903 V（相对于RHE），在20,000次循环后仅有微弱的性能下降（<6%），远超商用Pt/C催化剂。当将其应用于AEMFCs时，该催化剂可实现82.8 mW cm^?2的峰值功率密度，并保持前所未有的稳定性（22小时内电位仅下降0.8 V）。关于镧系元素诱导的电荷重分布的深入理解为通过稀土元素配位工程设计出性能优异的多金属催化剂提供了通用方法，弥合了功能优化与工业规模燃料电池应用之间的关键差距。这项工作为需要高效率和超稳定性的下一代能量转换系统提供了变革性的策略。