设计和制备多孔的催化纳米材料可以提供和暴露更多的活性位点，最大化利用活性金属以降低贵金属的负载量和成本，诸如纳米笼、纳米框架、中空球等开放结构的纳米材料赋予催化剂较高的比表面积。催化反应包括反应分子的吸附、转化与产物或中间产物的脱附，这些过程均在催化剂表面发生。基于多孔和高比表面的纳米催化材料，调控催化材料的表面与近表面结构在催化领域中发挥着相当重要的作用。因此，如何设计与发展高效稳定的阳极催化剂以实现催化剂的活性再生与高稳定性来降低成本是目前甲醇燃料电池实际操作时面临的挑战之一。
近日，中国科学技术大学的俞书宏教授（点击查看介绍）课题组在Energy Environ. Sci. 上展示了由单晶颗粒组成一维开孔结构的PtCu纳米管在甲醇氧化催化中的高活性与长期稳定性。研究人员发展了一种混合溶剂法，利用表面包覆有十六胺的铜纳米线为模板，成功制备了高结晶性与均一的一维PtCu纳米管。混合体积比为1:1的极性溶剂与非极性溶剂既保证了铜纳米线不被氧化，又有利于纳米线的分散与反应过程中的电子转移。有趣的是，纳米管由单晶的PtCu颗粒组成，颗粒之间形成连通的孔道，每个单晶颗粒均可看作沿着一维方向排列的高活性单元，在三维尺度上为甲醇分子的吸附提供了更多的高活性PtCu表面活性位点（图1）。通过酸性刻蚀处理的Pt1Cu1-AA纳米管表现出优异的甲醇氧化性能，质量活性与比表面活性分别达到2252 mA•mg-1与6.09 mA•cm-2，是商业化Pt/C催化剂的5.5与10.3倍（图2）。更重要的是，Pt1Cu1-AA纳米管催化剂在进行稳定性测试后，通过10圈循环伏安曲线扫描，质量活性可恢复到初始值或者更佳状态（图3）。稳定性测试后的纳米管表现出更好的结晶性，同时表面发生重构，表面Pt原子发生重排，形成表面富铂的核壳结构，增强了压缩应力。因此，催化剂在稳定性测试后依然表现出很高的甲醇催化活性（图4）。这种高活性再生在实际燃料电池应用中大幅度降低了催化剂的成本，为催化剂的长期稳定性研究提供了新思路。
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