Locally Varying Surface Binding Affinity on Pd–Au Nanocrystals Enhances Electrochemical Ethanol Oxidation Activity

纳米晶 电化学 乙醇 材料科学 化学工程 纳米技术 化学 物理化学 电极 有机化学 工程类
作者
Xiaoxiao Wang,Hao Yang,Moxuan Liu,Zhaojun Liu,Kai Liu,Zerui Mu,Yan Zhang,Tao Cheng,Chuanbo Gao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (28): 18701-18711 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c06063
摘要

Noble metal nanocrystals face challenges in effectively catalyzing electrochemical ethanol oxidation reaction (EOR)-represented multistep, multielectron transfer processes due to the linear scaling relationship among binding energies of intermediates, impeding independent optimization of individual elemental steps. Herein, we develop noble metal nanocrystals with a range of local surface binding affinities in close proximity to overcome this challenge. Experimentally, this is demonstrated by applying tensile strain to a Pd surface and decorating it with discrete Au atoms, forming a diversity of binding sites with varying affinities in close proximity for guest molecules, as evidenced by CO probing and density functional theory calculations. Such a surface enables reaction intermediates to migrate between different binding sites as needed for each elemental step, thereby reducing the energy barrier for the overall EOR when compared to reactions at a single site. On these tailored surfaces, we attain specific and mass activities of 32.7 mA cm-2 and 47.8 A mgPd-1 in EOR, surpassing commercial Pd/C by 10.9 and 43.8 times, respectively, and outperforming state-of-the-art Pd-based catalysts. These results highlight the promise of this approach in improving a variety of multistep, multielectron transfer reactions, which are crucial for energy conversion applications.
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