聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池是一種極具吸引力的能量轉(zhuǎn)換裝置，適用于電動(dòng)汽車(chē)，特別是中型和重型汽車(chē)。然而，目前用于正極氧還原反應(yīng)（ORR）的鉑（Pt）基催化劑在膜電極組件（MEAs）中活性和耐久性不足，限制了PEM燃料電池的實(shí)際應(yīng)用。

基于此，印第安納大學(xué)與普渡大學(xué)印第安納波里斯聯(lián)合分校Jian Xie（通訊作者）等人報(bào)道了一種協(xié)同策略，以制備高活性和穩(wěn)定的亞3-nm Pt基金屬間催化劑，同時(shí)克服了MEA中Pt利用率低和質(zhì)量傳輸不足的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池性能的突破。核-殼結(jié)構(gòu)的L1₀-PtCo@Pt納米顆粒幾乎滿(mǎn)足美國(guó)能源部制定的輕型車(chē)輛的所有性能要求，并顯示出在重型車(chē)輛上應(yīng)用的巨大潛力。

為研究PtCo/KB-NH₂的ORR反應(yīng)性，作者使用半球形模型進(jìn)行DFT計(jì)算，以模擬2.6 nm大小的L1₀-PtCo@Pt_3L（L1₀-PtCo核心上有3個(gè)Pt原子層）納米顆粒。結(jié)果表明，對(duì)于fcc Pt體，(111)facet上Pt-Pt鍵的壓縮應(yīng)變?yōu)?.42%。OH*（E_OH*）在金屬表面的結(jié)合能被認(rèn)為是ORR動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵描述符，最佳的ORR活性的E_OH*約為0.12-0.14 eV，比未應(yīng)變的Pt(111)弱。

在壓縮應(yīng)變?yōu)?.42%的L1_o-PtCo@Pt_3L(111)上的Eoн*計(jì)算為-1.241 eV，比未應(yīng)變Pt(111)上的E_OH*弱0.16 eV，更接近最佳E_OH*。根據(jù)部分態(tài)密度（PDOS）發(fā)現(xiàn)，削弱的E_OH*與L1_o-PtCo@Pt_3L(111)上相對(duì)于Pt(111)的d-帶中心下降0.113 eV有關(guān)，導(dǎo)致ORR動(dòng)力學(xué)增強(qiáng)。

為分離配體效應(yīng)和應(yīng)變效應(yīng)對(duì)E_OH*的影響，在Pt(111)表面施加同樣3.42%的壓縮應(yīng)變。E_OH*在未應(yīng)變Pt(111)上從-1.401 eV急劇變化到3.42%應(yīng)變Pt(111)上的-1.188 eV，表明應(yīng)變誘導(dǎo)的變化高達(dá)0.213 eV。由于核心結(jié)構(gòu)深處存在Co原子，配體效應(yīng)對(duì)E_OH*的影響很微小，但與應(yīng)變效應(yīng)相比不可忽略。在同樣的3.42%壓應(yīng)變作用下，L1o-PtCo@Pt_3L(111)上的E_OH*比Pt(111)上的E_OH*低0.053 eV，表明L1o-PtCo核（配體效應(yīng)）的存在使E_OH*更接近理論最佳值。

Amino-tethering synthesis strategy toward highly accessible sub-3-nm L1₀-PtM catalysts for high-power fuel cells. Matter, 2023, DOI: 10.1016/j.matt.2022.12.011.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.12.011.