自2004年石墨烯被首次制得以来，二维（2D）材料越来越受到研究者的关注，其令人瞩目的物理化学性质，更成为了国际材料科学研究的前沿焦点。近几年，除石墨烯以外的各种X-烯（Xene）被提出和制备，大大地拓展了二维材料家族的成员，比如，硅烯（silicene）、磷烯（phosphorene）、硼烯（borophene）、锑烯（antimonene）、锡烯（stanene）、锗烯（germanene）。这些超薄的二维材料，和石墨烯一样，具有和体相材料截然不同的新性能（点击阅读相关）。

2D- Xene的“心路历程”。图片来源：Nat. Mater. ^[1]

近日，北京大学郭少军教授（点击查看介绍）课题组制备了一种高度卷曲、亚纳米厚的双金属钯钼（PdMo）合金纳米片材料，由于这种材料结构类似于石墨烯，研究者将其命名为“双金属烯（bimetallene）”。该2D材料在碱性电解质中是一种高效稳定的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）电催化剂，可提升锌-空气电池和锂-空气电池的性能。PdMo双金属片的薄层结构可实现很高的电化学活性表面积（138.7 m²/g Pd）以及高原子利用率，使得其ORR质量活性在0.9 V（参比于可逆氢电极）电位下高达16.37 A/mg Pd，比市售Pt/C和Pd/C催化剂分别高78倍和327倍。相关论文发表于Nature杂志，第一作者为骆明川博士。

大家都知道储量有限的化石燃料的大量使用，除了造成能源危机之外，还会因巨量碳排放而引发全球变暖的环境问题。而有效利用太阳能、风能等可再生清洁能源，是解决问题的关键。不过，这些可再生能源并不能全天候稳定供能，而且将其转化为电能之后还需要构建大规模电网来输电给终端用户，成本高且损耗大。如果能将可再生清洁能源产生的电能转化为含能化学分子存储起来，利用现有路网运输到需要的地点，在使用的时候再转化为电能，就很有可能为这些可再生清洁能源找到走向实用的可行方案。燃料电池和金属空气电池是目前广受关注的能源转换装置，不过其规模化应用还面临着不少挑战，其中最主要的是ORR和OER缓慢的动力学，以及需要基于昂贵铂族金属（PGMs）的电催化剂。合金化、表面应变和配位环境优化这些策略的使用，使得铂基纳米晶在酸性介质中获得了很高的ORR活性。然而，由于在氢氧化物的存在下难以在铂族金属上获得最佳的氧结合强度，如何在碱性环境中提高ORR活性仍然颇具挑战。

基于以往工作，郭少军教授课题组设计了这种PdMo双金属烯作为ORR电催化剂。这种二维材料可通过简单的一锅湿化学法制备。将丙酮、乙酰丙酮合钯（Pd(acac)₂）、羰基钼（Mo(CO)₆）、抗坏血酸和油胺放入反应釜，在80 °C条件下加热12小时，再经过简单的后处理即可得到。材料表征结果显示，该PdMo双金属烯主要呈2D纳米片，平均横向尺寸约为100 nm，这些纳米片呈高度卷曲的状态，厚度为0.88 nm，属于立方相，Pd/Mo比值为87.8/12.2，且分布均匀。

PdMo双金属烯的形貌、结构和组成表征。图片来源：Nature

与商业Pd/C催化剂中近一半的Pd被氧化不同，PdMo双金属烯中的Pd主要为金属状态。通过对生长机理的探究，研究者发现，在反应的开始阶段，只有较小的纯Pd纳米片生成；随后通过沿横向的种子诱导生长和Mo原子扩散，才形成了PdMo双金属烯。

PdMo双金属烯生长过程。图片来源：Nature

ORR极化曲线表明，PdMo双金属烯在0.1 M KOH中具有0.95 V的半波电位，高于商业Pt/C（0.85 V）和Pd/C（0.84 V），这源自材料独特的二维结构。其活性质量16.37 A/mg PGMs，远远高出商业Pt/C和Pd/C催化剂，分别高出78倍和327倍。同时该材料展现出优异的稳定性，循环30,000次后，性能保持高于70%。

PdMo双金属烯与其他催化剂的电催化性能研究。图片来源：Nature

密度泛函理论（DFT）计算结果解释了该材料高ORR活性的主要原因，PdMo双金属烯的合金化效应、高度卷曲的形状带来的应变效应、亚纳米厚度带来的量子尺寸效应调控了双金属烯表面Pd的电子结构，优化了氧结合，从而大幅提高ORR活性。

氧吸附能和d-带中心的DFT计算。图片来源：Nature

除了优异的ORR活性，PdMo双金属烯同时表现出优于商业IrO₂催化剂的OER活性，在10 mA/cm²下过电位要低30 mV，而且稳定性也更好。研究者还进行了概念验证式的应用尝试，他们将PdMo双金属烯材料应用于水系锌-空气电池，可以实现高达1.483 V的开路电压和154.2 mW/cm²的最大功率密度，同时比容量和能量密度也远高于使用“IrO₂ + Pt/C”的电池，极大地提升了锌空气电池的充放电性能。不出意外，PdMo双金属烯在非水系锂-空气电池中也同样表现出优异的性能。该研究结果为下一代高性能低成本的氧还原反应催化剂的设计方案提供了一个新的思路。

PdMo双金属烯提升锌空气电池和锂空气电池的性能。图片来源：Nature

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis

Mingchuan Luo, Zhonglong Zhao, Yelong Zhang, Yingjun Sun, Yi Xing, Fan Lv, Yong Yang, Xu Zhang, Sooyeon Hwang, Yingnan Qin, Jing-Yuan Ma, Fei Lin, Dong Su, Gang Lu, Shaojun Guo

Nature, 2019, 574, 81-85, DOI: 10.1038/s41586-019-1603-7

导师介绍

郭少军

https://www.x-mol.com/university/faculty/18935

参考文献：

1. Molle A., Goldberger J., Houssa M., et al. Buckled two-dimensional Xene sheets. Nat. Mater., 2017, 16, 163-169. DOI: 10.1038/nmat4802

https://www.nature.com/articles/nmat4802

官网报道：

工学院郭少军团队：新型电催化剂显著提升电池性能

北京大学新闻网

http://news.pku.edu.cn/jxky/d9d70ec949f54d8f87a702ad140302c9.htm

（本文由小希供稿）