电催化剂的表面结构效应、设计合成和反应机理研究

(a) SEM image of tetrahexahedral Pt nanocrystals (THH Pt NCs) and their surface structure; (b) Electrocatalytic activity towards formic acid oxidation on THH Pt NCs, Pt nanospheres and commercial Pt/C catalysts. 引自《Science》2007年316卷5825期732-735页.

电催化剂是电化学能源转换、电合成和环境电化学监测治理等重要领域的核心，其性能主要取决于化学组成、电子结构和表面结构．运用单晶电极可以在原子排列层次研究表面结构与性能的规律，进而应用于设计和研制高性能电催化剂．我校孙世刚教授研究团队的研究项目“电催化剂的表面结构效应、设计合成和反应机理研究”通过对金属单晶电极的系统深入研究，揭示了电催化剂的构效规律，阐明了相关的电催化反应机理，进而取得了纳米催化剂合成的重大突破．该项目荣获2013年度国家自然科学奖二等奖，取得的成果主要体现在以下3个方面：

1. 研制出一系列原子排列结构不同的铂单晶电极，针对燃料分子氧化等反应，系统深入地研究了电催化剂的表面结构效应，揭示了呈开放表面结构的高指数晶面具有高催化活性的规律，提出高指数晶面上由平台和台阶原子组成的椅式结构电催化活性位模型，发展了电催化的基础理论，为高活性电催化剂的理性设计合成奠定了基础．

2. 建立了居国际先进水平的一系列原位红外反射光谱方法和电化学-超高真空电子能谱，从分子水平指认电催化反应的中间体和产物，跟踪反应历程，阐明

反应机理；发现铂表面各种氧化态的电催化功能，诠释了铂电极上醇燃料分子复杂氧化行为的本质．

3. 创建了高指数晶面/高表面能金属纳米晶控制合成的电化学方法，克服晶体生长趋于最低表面能的热力学限制，首次制备出高催化活性的二十四面体铂纳米晶，取得了纳米催化剂合成的重大突破．在此基础上，进一步实现了高表面能的铂、钯、金、铁等纳米催化剂的理性设计合成和性能调控．研究工作开辟了高指数晶面/高表面能纳米催化剂研究的新方向，促进了电化学和纳米材料合成等相关方向的发展．

二十四面体铂纳米晶的成果，2007年入选中国高等学校十大科技进展和中国基础研究十大新闻，被美国C&EN评为年度化学24项重大进展之一，被英国Chemistry World选为年度化学40项最前沿研究之一，被《Science》专文评价为“纳米催化剂合成的重大突破”．著名综述类期刊《Accounts of Chemical Research》载文指出：“孙等人首次制备出高指数晶面铂纳米晶，引发了高指数晶面贵金属纳米粒子研究的热潮”．