阻礙質(zhì)子交換膜燃料電池廣泛應(yīng)用的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是陰極氧還原反應(yīng)(ORR)催化劑的性能不理想，它需要過(guò)量的Pt來(lái)促進(jìn)緩慢的ORR動(dòng)力學(xué)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們付出大量努力來(lái)提高催化劑ORR活性，同時(shí)有效地減少貴金屬Pt的使用。其中，構(gòu)建具有富含Pt位點(diǎn)殼層和低Pt用量核的核殼納米結(jié)構(gòu)被證明是一種有效的方法。具體而言，將表面Pt殼設(shè)計(jì)成高指數(shù)小面(HIF)，這些HIFs通常提供更有利于催化的表面原子結(jié)構(gòu)，包括原子臺(tái)階和扭結(jié)，以提高ORR活性；同時(shí)，可以引入另一種過(guò)渡金屬(PtM)來(lái)降低核中Pt的用量，且殼層與核之間的相互作用也有助于ORR活性的提高。

基于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚濤、曹林林和安徽大學(xué)羅其全等開(kāi)發(fā)了一種逐步自組裝策略，利用表面活性劑和溶劑來(lái)調(diào)節(jié)金屬前體的還原速率，制備出具有高指數(shù)Pt殼封裝的PtCu₃金屬間化合物(IMCs)核的核殼催化劑(HIFs Pt@PtCu₃)。在這種合成方法中，繞過(guò)高溫處理，通過(guò)共還原金屬前驅(qū)體直接獲得PtCu₃核，然后剩余的Pt自發(fā)沉積到其表面。在合成過(guò)程中，表面活性劑優(yōu)先覆蓋形成的低指數(shù)Pt原子，且空間位阻抑制它們的生長(zhǎng)，這一過(guò)程導(dǎo)致形成穩(wěn)定的高指數(shù)臺(tái)階。

原位光譜和理論計(jì)算表明，高指數(shù)Pt位點(diǎn)上發(fā)生O_ads到OH_ads的快速轉(zhuǎn)化，加速了反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)；同時(shí)，HIFs Pt@PtCu₃優(yōu)化了*OH的結(jié)合能，降低了反應(yīng)能壘，進(jìn)而提升了ORR活性。

得益于上述優(yōu)點(diǎn)，所制備的HIFs Pt@PtCu₃催化劑的ORR半波電位(E_1/2)為0.911 V_RHE，優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑(E_1/2=0.847 V_RHE)。值得注意的是，HIFs Pt@PtCu₃核殼結(jié)構(gòu)擁有更強(qiáng)的電子相互作用，增強(qiáng)了其抑制活性成分溶解的內(nèi)在能力。

因此，除了具有良好的ORR活性之外，HIFs Pt@PtCu₃還表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在15000個(gè)ADT循環(huán)后，E_1/2僅有14 mV的負(fù)移。綜上，這項(xiàng)工作為通過(guò)原子導(dǎo)向的活性位點(diǎn)工程來(lái)擴(kuò)展先進(jìn)電催化劑的構(gòu)建提供了范例。

Self-assembly intermetallic PtCu₃ core with high-index faceted Pt shell for high-efficiency oxygen reduction. Nano Letters, 2024. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00111