通訊單位：南洋理工大學

研究背景

燃料電池技術不僅可以將化學能轉化為電能，同時能有效緩解能源危機和降低環境汙染，是一種高效清潔的綠色能源解決方案。貴金屬鉑（Pt）雖然是目前最常用的燃料電池催化劑，但其儲量少且價格昂貴，仍需要進一步改進Pt基材料體系。其中一種被認為是突破商業應用限制的有效手段是將Pt與其他金屬製備成合金，該策略既可以減少Pt的使用量，同時也可以增強催化活性和穩定性。另一方面，尺寸和形貌對催化活性和穩定性也有較大的影響。

因此，精確控制Pt合金的組分、尺寸和形貌是燃料電池催化劑設計的重要任務。在眾多的合成方法中，非水溶劑液相法是一種有效的合成方式，它能較好地促進高熔點或高還原能壘的金屬與Pt的合金化，同時實現各種Pt基奈米結構的組分、尺寸和形貌的大範圍調控，使得低Pt含量、高催化活性和高穩定性的燃料電池催化劑的構築成為可能。此外，對於Pt基燃料電池催化劑的研究，大多數集中在結構與催化效能的關聯，以及增強催化效能的策略，而對合成策略與結構的關聯卻少有探究。透過分析合成策略-結構的關聯，將使人們對如何調控Pt基奈米結構以製備高效能的燃料電池催化劑有更深入的理解。

擬解決的關鍵問題

本文透過總結非水溶劑液相法合成Pt基奈米結構的相關工作，分析合成策略、實驗條件對Pt基催化劑的組分、尺寸和形貌的影響，揭示精確控制Pt基奈米結構的關鍵合成因素。

研究思路剖析

本文總結了非水溶劑液相法合成Pt基奈米結構的重點研究成果，具體分為以下四個部分進行闡述：一步油浴法、油浴法結合其他合成策略、一步溶劑熱法、溶劑熱法結合其他合成策略，歸納和分析溶劑、前驅體、還原劑、新增物、壓力、還原氣、溫度和時間等實驗條件對合成結構的影響，並在每一部分以表格的形式對重要合成結果的實驗條件、材料基本特徵與應用領域進行詳細的總結。

圖文簡介

鑑於此，南洋理工大學龍禕、曾少華等人從非水相合成方式出發，對Pt基燃料電池催化劑的組分、尺寸和形貌的控制進行了系統的總結。該工作分成油浴法和溶劑熱法兩部分進行闡述，同時細分成一步和多步的合成策略分別剖析。最後，作者還對Pt基燃料電池催化劑合成所面臨的機遇與挑戰進行了展望。該綜述工作以《Non-aqueous solution synthesis of Pt-based nanostructures for fuel cell catalysts》為題在《Materials Today Energy》進行發表，杭州電子科技大學的訪問學者丁華霖為論文的第一作者，南洋理工大學的龍禕、曾少華為通訊作者。

▲圖文摘要

本文要點

要點1. 一步油浴法

作者總結了透過一步油浴法制備各種Pt基奈米結構的最新進展，並重點介紹了溶劑（二甲基甲醯胺、油胺等）、表面活性劑、還原劑、新增劑、溫度和時間對於合成結構的影響，同時以表格的形式進行彙總。此外，二維以及複雜Pt基奈米結構預期有優異的催化效能，但合成難度較大，生長機理也較複雜，作者單獨介紹了二維以及複雜Pt基奈米結構合成的重要研究進展。

▲圖1. 一步油浴法合成nanopaltes的生長過程

▲圖2. 一步油浴法合成複雜結構的生長過程

要點2. 油浴法結合其他合成策略

一些複雜結構難以透過一步油浴法直接合成，需要油浴法結合其他合成策略才能實現。作者將其歸納為“一鍋兩步油浴法、預製備+油浴法、油浴法+後處理”三方面進行闡述。

▲圖3. 油浴法結合刻蝕策略製備複雜結構

要點3. 一步溶劑熱法

▲圖4. 溶劑熱法合成nanowires的生長過程

▲表1. 一步溶劑熱法合成Pt基奈米結構的總結

要點4. 溶劑熱法結合其他合成策略

作者重點總結了溶劑熱法結合其他合成策略製備特定Pt基奈米結構的研究進展，並透過表格的形式彙總了溶劑熱法、油浴法與其他合成策略結合製備相關Pt基催化劑的結果。

▲表2. 溶劑熱法、油浴法與其他合成策略結合製備Pt基奈米結構的總結

意義分析

Pt基奈米結構的精確合成不僅是獲得高活性和耐久性燃料電池催化劑的保障，而且是深入理解結構-功能關係的關鍵。非水溶劑液相法的合成方式為豐富多樣Pt基奈米結構的精確構築提供了可能。本文總結分析了實驗影響因素（溶劑、前驅體、還原劑、新增物、壓力、還原氣、溫度和時間等）與合成結構的關係，為入門者選擇與合成Pt基催化劑提供了參考，也為今後精確設計更多特殊結構提供了指導。為了進一步拓寬材料合成體系和構築更為精細的催化劑結構，需要在功能多樣實驗裝置的開發、最佳化實驗方案的設計、原位表徵技術觀察生長過程的引入等方面進行努力和改進。

原文連結

Hualin Ding, Shancheng Wang, Yi Long*, Siew Hwa Chan*, Non-aqueous solution synthesis of Pt-based nanostructures for fuel cell catalysts, Materials Today Energy, 2020.

DOI: 10.1016/j.mtener.2020.100616

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2468606920302355

作者簡介

曾少華，南洋理工大學機械與航天工程學院教授，目前一項主要工作是在廣州負責管理由中國政府資助的中新國際聯合研究院。他也是一家初創公司“新向（廣州）氫能科技有限公司”的創始人和董事，在中國廣州從事具有高附加值的質子交換膜燃料電池元件的生產以及膜電極的組裝工藝。曾教授是新加坡能源研究院管理委員會委員，同時也是地平線（Horizon）燃料電池技術諮詢理事會理事。最近，他被任命為中國武漢科利爾公司新能源材料業務的技術總顧問，併成為華南理工大學機構質量審查委員會的國際委員。他也被英國能源研究中心邀請，成為唯一一位在英國以外地區，對英國國家燃料電池未來發展規劃進行評審的專家。曾教授發表近260篇SCI論文，文章被引用次數超過12，000次，h因子為55。他也是國際雜誌 “Journal of Power Technologies”, “Fuel Cells”, “Energy Conversion and Management”, “International Journal of Energy Research”的編委成員。

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