設計和制備多孔的催化納米材料可以提供和暴露更多的活性位點，最大化利用活性金屬以降低貴金屬的負載量和成本，諸如納米籠、納米框架、中空球等開放結構的納米材料賦予催化劑較高的比表面積。催化反應包括反應分子的吸附、轉化與產物或中間產物的脫附，這些過程均在催化劑表面發生。基于多孔和高比表面的納米催化材料，調控催化材料的表面與近表面結構在催化領域中發揮著相當重要的作用。因此，如何設計與發展高效穩定的陽極催化劑以實現催化劑的活性再生與高穩定性來降低成本是目前甲醇燃料電池實際操作時面臨的挑戰之一。
近日，中國科學技術大學的俞書宏教授（點擊查看介紹）課題組在Energy Environ. Sci. 上展示了由單晶顆粒組成一維開孔結構的PtCu納米管在甲醇氧化催化中的高活性與長期穩定性。研究人員發展了一種混合溶劑法，利用表面包覆有十六胺的銅納米線為模板，成功制備了高結晶性與均一的一維PtCu納米管。混合體積比為1:1的極性溶劑與非極性溶劑既保證了銅納米線不被氧化，又有利于納米線的分散與反應過程中的電子轉移。有趣的是，納米管由單晶的PtCu顆粒組成，顆粒之間形成連通的孔道，每個單晶顆粒均可看作沿著一維方向排列的高活性單元，在三維尺度上為甲醇分子的吸附提供了更多的高活性PtCu表面活性位點（圖1）。通過酸性刻蝕處理的Pt1Cu1-AA納米管表現出優異的甲醇氧化性能，質量活性與比表面活性分別達到2252 mA?mg-1與6.09 mA?cm-2，是商業化Pt/C催化劑的5.5與10.3倍（圖2）。更重要的是，Pt1Cu1-AA納米管催化劑在進行穩定性測試后，通過10圈循環伏安曲線掃描，質量活性可恢復到初始值或者更佳狀態（圖3）。穩定性測試后的納米管表現出更好的結晶性，同時表面發生重構，表面Pt原子發生重排，形成表面富鉑的核殼結構，增強了壓縮應力。因此，催化劑在穩定性測試后依然表現出很高的甲醇催化活性（圖4）。這種高活性再生在實際燃料電池應用中大幅度降低了催化劑的成本，為催化劑的長期穩定性研究提供了新思路。
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