Halbmetallinduzierte Kovalenz ermöglicht eine hocheffiziente Elektrokatalyse für intermetallische Platinverbindungen

Im Vergleich zu anderen Batterietypen haben Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen den Vorteil einer hohen Entladeleistung und keiner Umweltverschmutzung, was auch ein wichtiger Träger für die Umwandlung und Nutzung von Wasserstoffenergie ist. Intermetallische Platinverbindungen spielen eine wichtige Rolle als Elektrokatalysatoren in einer Reihe von Energie- und Umwelttechnologien wie Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen.

Der Syntheseprozess intermetallischer Platinverbindungen muss jedoch unter dem Einfluss hoher Temperaturen (~600 °C) in geordnete Pt-M-Metallbindungen umgeordnet werden, was normalerweise erhebliche Nebenwirkungen auf die Katalysatorstruktur hat, wie z. B. eine ungleichmäßige Größenverteilung , Morphologie, Zusammensetzung und Struktur, die sich weiter auf die Leistung von Katalysatoren und Batterien auswirken.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, führte die Gruppe von Professor Changzheng Wu von der Universität für Wissenschaft und Technologie in China halbmetallische Atome wie Ge, Sb und Te in den Prozess der Synthese intermetallischer Verbindungen auf Platinbasis ein. Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht National Science Review.

Die zwischen halbmetallischen Elementen und Platinatomen (Pt-Ge, Pt-Sb, Pt-Te) gebildeten chemischen Bindungen weisen sowohl die Eigenschaften metallischer als auch kovalenter Bindungen auf und durchbrechen somit die Temperaturbegrenzung bei der Synthese intermetallischer Platinverbindungen. Sie sind auch für die elektrokatalytische Reaktion von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen von Vorteil.

Aufgrund der teilweisen Füllung der p-Orbitale in den Metallisierungselementen bildet sich die dp-π-Rückkopplungsbindung zwischen Platinatomen und Halbmetallatomen als starke kovalente Wechselwirkung. Diese Kraft kann als treibende Kraft genutzt werden, um die geordnete Anordnung im Hochtemperatur-Syntheseprozess intermetallischer Verbindungen zu fördern und so die Temperaturgrenze für die Synthese intermetallischer Platinverbindungen zu überschreiten.

Darüber hinaus können die Eigenschaften von Metallbindungen und kovalenten Bindungen den Elektronentransfer und die Orbitalfüllung der aktiven Platinzentren in Brennstoffzellen weiter fördern, um so die katalytische Aktivität und antitoxische Fähigkeit zu verbessern.

Halbmetallisch-platinintermetallische Verbindungen können bei nur 300 °C synthetisiert werden und zeigen bei elektrochemischen Tests von Brennstoffzellen eine extrem hohe Sauerstoffreduktionsaktivität unter CO-Toxizität (spezifische Aktivität von 0,794 A mg).⁻¹ bei einer Spannung von 0,9 V, Dämpfung von 5,1 % unter CO-Toxizität), d. h. 11-mal so viel wie bei kommerziellen Pt/C-Katalysatoren.

Diese Studie realisiert die Optimierung der Bindung und Umlaufbahn bei der Synthese und den Arbeitsbedingungen von Brennstoffzellenkatalysatoren durch die Einführung von Halbmetallen und liefert neue Erkenntnisse für das rationale Design fortschrittlicher Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen.