碳负载的 Pt 基纳米粒子是能量转换反应如氧还原反应 (ORR) 的重要电催化剂。 尽管该反应已被广泛研究，但基于纳米颗粒或纳米尺寸的电催化剂的粒径和颗粒间距等因素对 ORR 活性和耐久性的影响尚未完全了解，并且常常相互交织。这种理解的缺乏主要是基于电催化剂合成方法的局限性，这些方法通常不允许粒子大小和粒子间距离的独立变化。

有鉴于此，瑞士伯尔尼大学Matthias Arenz等人，成功地使用“胶体工具箱”方法解开了粒径和颗粒间距这两个因素，并通过原位电化学 X 射线吸收光谱 (XAS) 证明了粒子间距离对纳米粒子电子特性的影响。

本文要点

1）为了验证除粒子尺寸外，粒子间距离影响材料的本构电子从而影响催化性能的假设，这些参数需要独立调整。虽然基于真空的激光烧蚀或磁控溅射源结合质量选择过滤器提供了对颗粒大小的最终控制，但这些方法通常只能产生微量样品。相比之下，胶体法对单个催化剂参数提供了类似的控制，但可以生产更多的材料并且更广泛地可用。通过为此目的开发的工具箱方法合成了具有各种 Pt 粒径和 Pt 负载量的碳负载高表面积催化剂（Pt/Vulcan）。

2）研究发现，在优化催化剂的ORR活性时，这两种效应是同等重要的。当粒子间距离较大时，较大的Pt纳米颗粒比较小的Pt纳米颗粒表现出更高的ORR活性。然而，当将铂纳米颗粒以高覆盖率固定在碳载体上时，其ORR活性可以得到提高。与较大的纳米颗粒相比，对于较小的纳米颗粒，颗粒间距离对催化 ORR 活性的影响最为明显。与长期讨论的粒子尺寸效应相比，粒子间距离效应是催化研究中一个相当新的课题，其潜在机制只有少数几个研究小组讨论过。基本上，文献中提出了两种解释模型。一种关注粒子间距离对EDL结构的影响，另一个侧重于由于粒子之间电荷转移势垒的变化而导致的电子交叉耦合效应。

3）同时， 随着颗粒间距离的减小，ORR 活性增加，观察到亲氧性降低。首次通过原位电化学 XAS 证明粒子邻近效应与 Pt 纳米粒子亲氧性降低之间的相关性。首先，粒子邻近效应在小纳米粒子上更明显。其次，在原位 XAS 和非原位 XAS 和 XPS 光谱中观察到在低粒子间距下亲氧性降低的相同趋势。

参考文献：

Masanori Inaba et al. The Oxygen Reduction Reaction on Pt: Why Particle Size and Interparticle Distance Matter. ACS Catal., 2021.

DOI: 10.1021/acscatal.1c00652

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c00652