基于SCIE和ESI的燃料电池Pt基核壳结构催化剂研究进展

江志新

【摘 要】基于SCIE和ESI数据库，通过文献计量法和内容分析法综述了燃料电池Pt基核壳结构电催化剂的发展历史和研究进展，讨论了其学术影响力与研究价值，介绍了该研究点的重要研究成果，最后总结了该类型催化剂的研究特点及发展方向，为图书馆开展深层次学科服务提供参考。

【关键词】学科服务；燃料电池；铂基催化剂；核壳结构；高影响力成果

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

近年来，图书馆学科服务逐渐走向拓展、深化与创新的发展模式，业界致力于提供有益于知识传播的嵌入式服务、有助于学科规划的前瞻性服务、有利于知识分享的智慧型服务等高层次的学科服务实践[1-3]。本文以华南理工大学图书馆为例，介绍如何基于学术数据库为科研人员提供知识快速推送的创新型学科服务。

案例中服务的团队正致力于燃料电池铂（Pt）基核壳结构催化剂的研究，因此，学科馆员借助Thomson Reuters的SCIE索引数据库和ESI评价型数据库对该主题的文献进行多种形式的统计与分析，为该团队提供重要的科技情报信息。文中以“Topic=（（fuel cell or PEMFC）and core and shell and（cataly*or electrocataly*））and Title=（Pt or platinum）”为检索策略，在Web of Science的SCI-E数据调取全部关于燃料电池Pt基核壳结构催化剂的论文（通过人工剔除实际得出487篇研究论文），然后针对燃料电池Pt核壳结构催化剂的历史发展和研究现状进行了综述。

1 Pt基核壳电催化剂的历史发展

自2004年Bensebaa等[4]用微波法制备了富Pt内核-富Ru壳层的Pt-Ru合金催化剂，以及Tang H 等[5]用欠电位沉积法制备了Au@Pt，核壳结构的Pt基电催化剂开始引起了人们的关注。目前，Pt基核壳结构电催化剂主要经历了两个发展阶段（图1）：Ⅰ缓慢发展（2004-2007年）和Ⅱ进阶式发展（2008年至今）。在2008年进阶式发展时期伊始，研究主要是围绕二元合金M-Pt展开（M=Pd、Cu、Au、Ru、Co、Ni和Sn），其中Alayoglu等[6]从第一性原理出发设计了Ru@Pt的研究论文成为了至今关于Pt基核壳结构电催化剂的最高引用频次文献（截至2016年3月为596次）。基于该种设计思路，众多研究者开始考虑从微观的分子结构设计层面开发具有特殊结构和形貌的Pt基核壳电催化剂。同年，Zhao等[7]报道了关于Co@Pt-Ru的研究成果，自此三元金属体系的Pt核壳催化剂的研究持续发展。

2 各国家/地区及机构的研究趋势

SCI-E的论文统计显示，中、美、韩、日、台、德为研究核壳结构Pt基催化剂主要国家/地区，而中、美在2008年以后的发展趋势增速明显（图2）。按照机构统计，国内主要机构依次为：中科院（论文占比6.53%）、厦门大学（3.65%）、华南理工大学（3.46%）、湖南大学（1.34%）、南京师范大学（1.34%）、浙江师范大学（1.34%）、中山大学（1.15%）、太原科技大学（1.15%）和燕山大学（1.15%），国外主要机构为BROOKHAVEN NATL LAB（美，6.33%）、SEOUL NATL UNIV（韩，1.29%）、UNIV TEXAS AUSTIN（美，1.29%）、KAIST（韩，1.73%）、BULGARIAN ACAD SCI（保加利亚，1.54%）和UNIV WESTERN CAPE（南非，1.54%）等，台湾地区则主要有台湾同步辐射研究中心（2.11%）、台湾清华大学（1.54%）和东海大学（1.54%）三所机构。而近两年的论文统计显示，BROOKHAVEN NATL LAB（7.65%）、厦大（4.31%）、中科院（3.83%）、华南理工大（3.83%）、浙师大（3.35%）、KAIST（2.39%）、UNIV BARCELONA（2.39%）、EMORY UNIV（1.91%）和GEORGIA INST TECHNOL（1.91%）等机构都表现活跃。

3 Pt基核壳电催化剂的学术影响力

ESI是通过多项重要的论文指标，对国家/地区科研水平、机构学术声誉、科学家学术影响力以及期刊学术水平进行全面衡量[8]。将论文划分为普通SCI-E论文、ESI论文（高国际学术水平及影响力的论文）及热点论文（过去两年内发表、引用次数是化学领域中最优秀的0.1%之列的论文），发现关于核壳结构Pt基催化剂的ESI高被引论文开始出现时间为2008年，反映了2008年开始该研究方向出现学术影响力较大的核心学者，其研究成果受到同行的普遍重视和跟进，而此前主要以独立、分散的研究为主。而2015年出现的ESI化学领域热点论文，说明该研究方向对于燃料电池乃至整个化学领域都具有较大的影响力。

按出版物统计了论文分布情况，发现Pt基核壳电催化剂的论文分布在120种SCI-E期刊中，其中发文量前列的依次为J POWER SOURCES（近五年平均IF 6.227/ JCR期刊评分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，载文于学术影响力最高的期刊为NAT MATER（44.046/17.85），分别是Alayoglu等[1]有关Ru@Pt（2008年）和Wang等[9]有关的Pt3Co@Pt（2013年）的研究。

4 Pt基核壳电催化剂的重要学术成果

4.1 近两年热点成果

Wang等[8]以二十面体Pd为内核，制备了壳层平均为2.7个原子厚度的二十面体Pd@Pt催化剂（图5），并证实该催化剂对ORR的催化活性提高了7倍，10，000圈循环测试后，活性依然是商用催化剂的4倍。该成果载文在NAT COMMUN（近五年平均IF 11.904/JCR期刊评分17.85）上。该研究成果被广泛关注，反映了多面体内核+特殊形貌结构Pt壳层的核壳形式可能成为今后Pt基核壳催化剂的重要发展方向。

4.2 高影响力研究成果

2008年：①Alayoglu等[6]基于第一性原理设计了Ru@Pt 1-2L，并通过测试证实其优异的抗CO毒化能力；②Mani等[10]采用电化学溶出的方法制备了以富Pt为壳层的PtCu合金催化剂，该催化剂对ORR的催化性能较优异；③Wen等[11]以SBA-15为模板用原位沉积法制备了微孔炭包覆Pt的核壳催化剂，用作DMFC阴极催化剂时表现出较好的催化性能。

2010年：①Wang等[12]制备了Pt修饰的PdCo@Pd/C催化剂，与Pt/C相比，该催化剂对ORR的催化活性和抗甲醇毒化能力都明显提高；②Sasaki等[13]制备了Pd@单层Pt，全电池循环测试200，000次的结果显示，Pt无损失，而Pd损失明显；③Chen等[14]研究了以富Pt为壳层的PtXCo催化剂用作膜电极阴极催化剂时，在电化学反应过程中的微观组成及结构的变化。

2011年：①Nguyen等[15]制备了聚（乙烯基吡咯烷酮）（PVP）保护的PtPd二元合金核壳催化剂，并测试了其对DMFC的催化活性；②Maeseneer等[16]在Pd纳米线（直径2.0±0.5 nm）上沉积了单层Pt形成Pd@Pt电催化剂，担载在Vulcan XC-72碳粉上进行电化学测试，显示该催化剂对ORR的耐久度优异；③Wang等[17]制备了碳担载的近核壳结构PdCu@Pt，对醇氧化和ORR的催化活性都有所提高。

2012年：Chen等[18]制备了PANI（聚苯胺）修饰的Pt/C催化剂Pt/C@PANI，相对于未修饰的Pt/C，具有更高的催化活性和稳定性，而PANI 壳层厚度对ORR的催化活性有很大的影响（5nm时最优），其催化活性的提高解释为催化剂的核壳结构提高了电子迁移率。

2013年：Wang等.[8]制备了壳层为2-3原子层厚度的Pt3Co@Pt催化剂，对比Pt3Co和Pt/C催化剂，其Pt质量比活性提高一倍，面积比活性提高300%，5，000圈循环伏安测试也显示其优良稳定性。

2014年：Xie等[19]在Pd纳米方体上一层层地沉积Pt，得到Pd@Pt-nL（n=1-6）催化剂并测试了其对ORR的活性，发现Pd@Pt 2-3L的面积比活性最佳，而Pd@Pt-1L的Pt质量比活性最佳。

2015年：①Cao等[20]用逐步还原法制备了不同原子配比的碳载Ag@Pt（约3.0nm），该催化剂对甲醇氧化和ORR的催化活性都有明显提高；②Lai等[21]采用多步晶体生长法在Pd纳米空心球上生长了Pt纳米棒，制备了Pd纳米空心球洞@Pt纳米棒，抗CO毒化性能和催化活性都优于商用Pt/C（JM）。

图5 高影响力研究成果时间轴

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

5 文献调研的结论与展望

根据以上文献调研结构，Pt基核壳结构催化剂的研究特点包括：（1）相关研究近年呈现阶跃式发展趋势，其研究成果在燃料电池乃至整个化学领域都有较大的影响力；（2）以非Pt/低Pt合金为内核、Pt/富Pt合金为壳层的结构形式是主流结构形式；（3）寻求具有高稳定性以及协同作用的合金体系是组分体系研究的主要目标，越来越多的研究围绕多元合金体系进行，核@壳@壳的多层结构形式近年来陆续出现；（4）人们的注意力从简单的金属组分体系研究，逐渐转移至在纳米尺度上对金属催化剂的结构进行设计，制备具有特殊形貌的核壳结构催化剂。

6 总结

文章基于SCIE和ESI数据库，对Pt基核壳结构催化剂进行了深入的文献调研，为科研团队提供了全面而深入的科技情报信息，为其快速制定科研发展计划提供了重要的参考信息。本案例作为图书馆开展深层次学科服务，为同行提供参考。

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