基于SCIE和ESI的燃料電池Pt基核殼結(jié)構(gòu)催化劑研究進(jìn)展

江志新

【摘 要】基于SCIE和ESI數(shù)據(jù)庫，通過文獻(xiàn)計(jì)量法和內(nèi)容分析法綜述了燃料電池Pt基核殼結(jié)構(gòu)電催化劑的發(fā)展歷史和研究進(jìn)展，討論了其學(xué)術(shù)影響力與研究價(jià)值，介紹了該研究點(diǎn)的重要研究成果，最后總結(jié)了該類型催化劑的研究特點(diǎn)及發(fā)展方向，為圖書館開展深層次學(xué)科服務(wù)提供參考。

【關(guān)鍵詞】學(xué)科服務(wù)；燃料電池；鉑基催化劑；核殼結(jié)構(gòu)；高影響力成果

Progress of Pt-Based Core-Shell Structured EIectrocatalysts in Fuel Cells Based on SCIE and ESI

JIANG Zhi-xin

（South China University of Technology， Guangzhou Guangdong 510640， China）

【Abstract】In this paper， the development history and research progress of the Pt based core-shell structure of the fuel cell are reviewed based on SCIE and ESI， and their academic influence and research value are discussed. Further， the important research results and main components of Pt based core-shell catalysts at the present stage are introduced. Finally， the characteristics and development trend of this type of catalyst are summarized. This case provided a reference for the library to carry out the deep discipline service.

【Key words】Subject services； Fuel cell； Platinum-based catalyst； Core-shell structure； High impact results

近年來，圖書館學(xué)科服務(wù)逐漸走向拓展、深化與創(chuàng)新的發(fā)展模式，業(yè)界致力于提供有益于知識(shí)傳播的嵌入式服務(wù)、有助于學(xué)科規(guī)劃的前瞻性服務(wù)、有利于知識(shí)分享的智慧型服務(wù)等高層次的學(xué)科服務(wù)實(shí)踐[1-3]。本文以華南理工大學(xué)圖書館為例，介紹如何基于學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫為科研人員提供知識(shí)快速推送的創(chuàng)新型學(xué)科服務(wù)。

案例中服務(wù)的團(tuán)隊(duì)正致力于燃料電池鉑（Pt）基核殼結(jié)構(gòu)催化劑的研究，因此，學(xué)科館員借助Thomson Reuters的SCIE索引數(shù)據(jù)庫和ESI評價(jià)型數(shù)據(jù)庫對該主題的文獻(xiàn)進(jìn)行多種形式的統(tǒng)計(jì)與分析，為該團(tuán)隊(duì)提供重要的科技情報(bào)信息。文中以“Topic=（（fuel cell or PEMFC）and core and shell and（cataly*or electrocataly*））and Title=（Pt or platinum）”為檢索策略，在Web of Science的SCI-E數(shù)據(jù)調(diào)取全部關(guān)于燃料電池Pt基核殼結(jié)構(gòu)催化劑的論文（通過人工剔除實(shí)際得出487篇研究論文），然后針對燃料電池Pt核殼結(jié)構(gòu)催化劑的歷史發(fā)展和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

1 Pt基核殼電催化劑的歷史發(fā)展

自2004年Bensebaa等[4]用微波法制備了富Pt內(nèi)核-富Ru殼層的Pt-Ru合金催化劑，以及Tang H 等[5]用欠電位沉積法制備了Au@Pt，核殼結(jié)構(gòu)的Pt基電催化劑開始引起了人們的關(guān)注。目前，Pt基核殼結(jié)構(gòu)電催化劑主要經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段（圖1）：Ⅰ緩慢發(fā)展（2004-2007年）和Ⅱ進(jìn)階式發(fā)展（2008年至今）。在2008年進(jìn)階式發(fā)展時(shí)期伊始，研究主要是圍繞二元合金M-Pt展開（M=Pd、Cu、Au、Ru、Co、Ni和Sn），其中Alayoglu等[6]從第一性原理出發(fā)設(shè)計(jì)了Ru@Pt的研究論文成為了至今關(guān)于Pt基核殼結(jié)構(gòu)電催化劑的最高引用頻次文獻(xiàn)（截至2016年3月為596次）?；谠摲N設(shè)計(jì)思路，眾多研究者開始考慮從微觀的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面開發(fā)具有特殊結(jié)構(gòu)和形貌的Pt基核殼電催化劑。同年，Zhao等[7]報(bào)道了關(guān)于Co@Pt-Ru的研究成果，自此三元金屬體系的Pt核殼催化劑的研究持續(xù)發(fā)展。

2 各國家/地區(qū)及機(jī)構(gòu)的研究趨勢

SCI-E的論文統(tǒng)計(jì)顯示，中、美、韓、日、臺(tái)、德為研究核殼結(jié)構(gòu)Pt基催化劑主要國家/地區(qū)，而中、美在2008年以后的發(fā)展趨勢增速明顯（圖2）。按照機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)主要機(jī)構(gòu)依次為：中科院（論文占比6.53%）、廈門大學(xué)（3.65%）、華南理工大學(xué)（3.46%）、湖南大學(xué)（1.34%）、南京師范大學(xué)（1.34%）、浙江師范大學(xué)（1.34%）、中山大學(xué)（1.15%）、太原科技大學(xué)（1.15%）和燕山大學(xué)（1.15%），國外主要機(jī)構(gòu)為BROOKHAVEN NATL LAB（美，6.33%）、SEOUL NATL UNIV（韓，1.29%）、UNIV TEXAS AUSTIN（美，1.29%）、KAIST（韓，1.73%）、BULGARIAN ACAD SCI（保加利亞，1.54%）和UNIV WESTERN CAPE（南非，1.54%）等，臺(tái)灣地區(qū)則主要有臺(tái)灣同步輻射研究中心（2.11%）、臺(tái)灣清華大學(xué)（1.54%）和東海大學(xué)（1.54%）三所機(jī)構(gòu)。而近兩年的論文統(tǒng)計(jì)顯示，BROOKHAVEN NATL LAB（7.65%）、廈大（4.31%）、中科院（3.83%）、華南理工大（3.83%）、浙師大（3.35%）、KAIST（2.39%）、UNIV BARCELONA（2.39%）、EMORY UNIV（1.91%）和GEORGIA INST TECHNOL（1.91%）等機(jī)構(gòu)都表現(xiàn)活躍。

3 Pt基核殼電催化劑的學(xué)術(shù)影響力

ESI是通過多項(xiàng)重要的論文指標(biāo)，對國家/地區(qū)科研水平、機(jī)構(gòu)學(xué)術(shù)聲譽(yù)、科學(xué)家學(xué)術(shù)影響力以及期刊學(xué)術(shù)水平進(jìn)行全面衡量[8]。將論文劃分為普通SCI-E論文、ESI論文（高國際學(xué)術(shù)水平及影響力的論文）及熱點(diǎn)論文（過去兩年內(nèi)發(fā)表、引用次數(shù)是化學(xué)領(lǐng)域中最優(yōu)秀的0.1%之列的論文），發(fā)現(xiàn)關(guān)于核殼結(jié)構(gòu)Pt基催化劑的ESI高被引論文開始出現(xiàn)時(shí)間為2008年，反映了2008年開始該研究方向出現(xiàn)學(xué)術(shù)影響力較大的核心學(xué)者，其研究成果受到同行的普遍重視和跟進(jìn)，而此前主要以獨(dú)立、分散的研究為主。而2015年出現(xiàn)的ESI化學(xué)領(lǐng)域熱點(diǎn)論文，說明該研究方向?qū)τ谌剂想姵啬酥琳麄€(gè)化學(xué)領(lǐng)域都具有較大的影響力。

按出版物統(tǒng)計(jì)了論文分布情況，發(fā)現(xiàn)Pt基核殼電催化劑的論文分布在120種SCI-E期刊中，其中發(fā)文量前列的依次為J POWER SOURCES（近五年平均IF 6.227/ JCR期刊評分1.128）～8.45%、INT J HYDROGEN ENERG（3.659/ 0.619）～7.49%、ELECTROCHIM ACTA（4.578/ 0.886）～6.72%、J PHYS CHEM C（5.295/ 1.234）～6.53%、J AM CHEM SOC（11.726/3.286）～3.45%和J AM CHEM SOC（3.268/ 0.744）～3.45%。另外，載文于學(xué)術(shù)影響力最高的期刊為NAT MATER（44.046/17.85），分別是Alayoglu等[1]有關(guān)Ru@Pt（2008年）和Wang等[9]有關(guān)的Pt3Co@Pt（2013年）的研究。

4 Pt基核殼電催化劑的重要學(xué)術(shù)成果

4.1 近兩年熱點(diǎn)成果

Wang等[8]以二十面體Pd為內(nèi)核，制備了殼層平均為2.7個(gè)原子厚度的二十面體Pd@Pt催化劑（圖5），并證實(shí)該催化劑對ORR的催化活性提高了7倍，10，000圈循環(huán)測試后，活性依然是商用催化劑的4倍。該成果載文在NAT COMMUN（近五年平均IF 11.904/JCR期刊評分17.85）上。該研究成果被廣泛關(guān)注，反映了多面體內(nèi)核+特殊形貌結(jié)構(gòu)Pt殼層的核殼形式可能成為今后Pt基核殼催化劑的重要發(fā)展方向。

4.2 高影響力研究成果

2008年：①Alayoglu等[6]基于第一性原理設(shè)計(jì)了Ru@Pt 1-2L，并通過測試證實(shí)其優(yōu)異的抗CO毒化能力；②Mani等[10]采用電化學(xué)溶出的方法制備了以富Pt為殼層的PtCu合金催化劑，該催化劑對ORR的催化性能較優(yōu)異；③Wen等[11]以SBA-15為模板用原位沉積法制備了微孔炭包覆Pt的核殼催化劑，用作DMFC陰極催化劑時(shí)表現(xiàn)出較好的催化性能。

2010年：①Wang等[12]制備了Pt修飾的PdCo@Pd/C催化劑，與Pt/C相比，該催化劑對ORR的催化活性和抗甲醇毒化能力都明顯提高；②Sasaki等[13]制備了Pd@單層Pt，全電池循環(huán)測試200，000次的結(jié)果顯示，Pt無損失，而Pd損失明顯；③Chen等[14]研究了以富Pt為殼層的PtXCo催化劑用作膜電極陰極催化劑時(shí)，在電化學(xué)反應(yīng)過程中的微觀組成及結(jié)構(gòu)的變化。

2011年：①Nguyen等[15]制備了聚（乙烯基吡咯烷酮）（PVP）保護(hù)的PtPd二元合金核殼催化劑，并測試了其對DMFC的催化活性；②Maeseneer等[16]在Pd納米線（直徑2.0±0.5 nm）上沉積了單層Pt形成Pd@Pt電催化劑，擔(dān)載在Vulcan XC-72碳粉上進(jìn)行電化學(xué)測試，顯示該催化劑對ORR的耐久度優(yōu)異；③Wang等[17]制備了碳擔(dān)載的近核殼結(jié)構(gòu)PdCu@Pt，對醇氧化和ORR的催化活性都有所提高。

2012年：Chen等[18]制備了PANI（聚苯胺）修飾的Pt/C催化劑Pt/C@PANI，相對于未修飾的Pt/C，具有更高的催化活性和穩(wěn)定性，而PANI 殼層厚度對ORR的催化活性有很大的影響（5nm時(shí)最優(yōu)），其催化活性的提高解釋為催化劑的核殼結(jié)構(gòu)提高了電子遷移率。

2013年：Wang等.[8]制備了殼層為2-3原子層厚度的Pt3Co@Pt催化劑，對比Pt3Co和Pt/C催化劑，其Pt質(zhì)量比活性提高一倍，面積比活性提高300%，5，000圈循環(huán)伏安測試也顯示其優(yōu)良穩(wěn)定性。

2014年：Xie等[19]在Pd納米方體上一層層地沉積Pt，得到Pd@Pt-nL（n=1-6）催化劑并測試了其對ORR的活性，發(fā)現(xiàn)Pd@Pt 2-3L的面積比活性最佳，而Pd@Pt-1L的Pt質(zhì)量比活性最佳。

2015年：①Cao等[20]用逐步還原法制備了不同原子配比的碳載Ag@Pt（約3.0nm），該催化劑對甲醇氧化和ORR的催化活性都有明顯提高；②Lai等[21]采用多步晶體生長法在Pd納米空心球上生長了Pt納米棒，制備了Pd納米空心球洞@Pt納米棒，抗CO毒化性能和催化活性都優(yōu)于商用Pt/C（JM）。

圖5 高影響力研究成果時(shí)間軸

Fig.5 Time axis of high impact research of Pt based core-shell catalysts

5 文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)論與展望

根據(jù)以上文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)構(gòu)，Pt基核殼結(jié)構(gòu)催化劑的研究特點(diǎn)包括：（1）相關(guān)研究近年呈現(xiàn)階躍式發(fā)展趨勢，其研究成果在燃料電池乃至整個(gè)化學(xué)領(lǐng)域都有較大的影響力；（2）以非Pt/低Pt合金為內(nèi)核、Pt/富Pt合金為殼層的結(jié)構(gòu)形式是主流結(jié)構(gòu)形式；（3）尋求具有高穩(wěn)定性以及協(xié)同作用的合金體系是組分體系研究的主要目標(biāo)，越來越多的研究圍繞多元合金體系進(jìn)行，核@殼@殼的多層結(jié)構(gòu)形式近年來陸續(xù)出現(xiàn)；（4）人們的注意力從簡單的金屬組分體系研究，逐漸轉(zhuǎn)移至在納米尺度上對金屬催化劑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，制備具有特殊形貌的核殼結(jié)構(gòu)催化劑。

6 總結(jié)

文章基于SCIE和ESI數(shù)據(jù)庫，對Pt基核殼結(jié)構(gòu)催化劑進(jìn)行了深入的文獻(xiàn)調(diào)研，為科研團(tuán)隊(duì)提供了全面而深入的科技情報(bào)信息，為其快速制定科研發(fā)展計(jì)劃提供了重要的參考信息。本案例作為圖書館開展深層次學(xué)科服務(wù)，為同行提供參考。

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