燃料电池是一种生产清洁和可再生能源的技术，其是应对全球能源挑战的重要途径之一。其中，直接甲醇燃料电池(DMFC)具有高能量密度、低成本和低操作温度的优点，是一种潜在的便携式能量转换装置。为了使该技术得到广泛应用，改进制约DMFC整体性能的甲醇氧化反应(MOR)已成为研究热点。MOR过程是一个复杂的六电子反应，迄今为止，Pt基材料仍然是最先进的MOR电催化剂。然而，Pt基催化剂的高成本和反应过程中的CO中毒问题限制了其商业应用。因此，开发具有高活性和抗CO中毒能力的Pt基催化剂对于推进DMFC发展具有重要意义。
近日，南开大学杜亚平课题组采用固相合成策略制备了Pt3Tm/C、Pt3Yb/C和Pt3Lu/C纳米合金催化剂，并研究了它们的MOR催化性能。实验结果表明，在这几种催化剂中，Pt3Yb/C表现出最佳的活性，其比活性和质量活性分别为35.28 mA cmPt-2和11.61 A mgPt-1，分别比商业Pt/C高16.7和8.3倍。此外，在1000个CV循环后，Pt3Yb/C保留了96.0%的初始电流密度，远远大于Pt/C(22.5%)；同时，Pt3Yb/C在0.8 VRHE下连续电解10小时，仍保持67.6%的初始电导率，表明其对CO具有较高的耐受性。原位光谱表征和理论计算表明，得益于Pt3Ln(Ln=Tm、Yb和Lu)合金中的配体效应，稀土元素中的电子转移到Pt位点上，确保有效的MOR过程。同时，在Pt3Ln表面，Ln更倾向于与含氧自由基结合，这将减少*CO在Pt位点上的吸附，提高反应耐久性。具体而言，*CO需要稳定地吸附在三个Pt原子的中空位置，而Ln位点周围的区域不利于*CO吸附，从而避免了*CO在表面的积累和导致Pt位点完全失活。总的来说，该项工作证实通过配体效应调整低负电性稀土元素活性中心的电子结构是提高催化活性的一种有前途的策略，对稀土纳米合金电催化剂的合理设计具有重要的启发作用。Lanthanide-induced ligand effect to regulate the electronic structure of platinum−lanthanide nanoalloys for efficient methanol oxidation. ACS Nano, 2024. DOI: 10.1021/acsnano.4c08156
