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通讯作者：吴睿
通讯单位：电子科技大学
论文DOI：10.1002/anie.202501805
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针对Pt基合金催化剂在苛刻的电催化氧还原反应(ORR)条件下，金属原子易发生迁移和溶解，从而导致性能急剧下降的问题，研究人员通过将铟(In)掺入到PtCo中，开发了一种新型L10-PtCoIn@Pt核壳合金催化剂。通过In的添加，促进了p-d轨道的杂化，优化了Pt的电子结构，并增强了原子间的相互作用。这些改进使得L10-PtCoIn@Pt 催化剂展现出优异的活性和耐久性。即使在经过120,000次加速老化测试后，其质量活性仅下降了5.1%。基于L10-PtCoIn@Pt阴极催化剂的膜电极（0.1 mgPt cm-2）在氢氧测试条件下，实现了1.99 W cm-2的峰值功率密度，并在0.9 V下达到了0.73 A mgPt-1的高质量活性。在经过连续60,000次方波电位循环后，该催化剂能够保持其初始的质量活性，并在0.8 A cm-2电流密度下保持稳定电池电压，超过了美国能源部2025年的耐久性目标。此外，通过理论研究进一步揭示了In的引入对于降低L10-PtCoIn@Pt催化剂反应能垒和提高原子抗溶出的关键作用。
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其高效的能量转换效率和环保特性，被视为实现全球可持续能源系统的关键技术。然而，阴极ORR的动力学缓慢，需要大量使用贵金属Pt，这不仅增加了成本，还加剧了Pt资源稀缺的问题。通过将Pt与3d过渡金属（如Fe、Co、Ni）形成合金虽然可以降低Pt用量并提升ORR活性，但这些合金在苛刻的PEMFC工作环境中(pH < 1，阴极电位：0.6-1.5 V，电池温度：60-80°C)容易发生金属的腐蚀和脱合金化，导致性能迅速降低。尽管通过合成有序的金属间化合物能够有效缓减这一过程，但实现合金的有序化转变需要克服较高的能垒，这又会导致纳米颗粒发生明显的烧结。因此，在Pt合金催化剂的合成过程中通常需要平衡原子有序度与纳米颗粒尺寸之间的关系，这种折中使得催化剂活性和稳定性的增强受到限制。因此，开发兼具高活性和高耐久性的催化剂是当前的研究重点。
研究出发点
基于L10-PtCoIn@Pt阴极催化剂氢氧燃料电池的实现了1.99 W cm-2的峰值功率密度，并在0.9 V下达到了0.73 A mgPt-1的质量活性。在经过60000次方波电位循环后，该催化剂依然能保持初始的质量活性，并在0.8 A cm-2电流密度下保持稳定电池电压，展现出极其优异的耐久性。
理论研究进一步证实了In的引入对于降低PtCoIn催化剂反应能垒、并提高了Pt和Co原子的空位形成能。
图2. (a) XRD图谱。(b) Pt 4f XPS图谱。(c) Co 2p XPS图谱。(d) Pt L3边XANES图谱。(e) Pt的FT-EXAFS图谱。(f) Co K边XANES图谱。(g) Co的FT-EXAFS谱图。
图3. (a) ORR极化曲线。(b) Tafel曲线图。(c) 质量活性和比活性柱状图。加速老化测试过程中的 (d) CV曲线，(e) ORR极化曲线，(f) 电化学活性比表面积，(g) 质量活性。(h) 不同Pt基催化剂的加速老化测试圈数与质量活性保留率对比图
图5.(a) PtCoIn投影态密度图 (PDOS)。(b) PtCo和PtCoIn的PDOS和d带中心。(c) ORR反应自由能图。空位形成能：(d) Co原子，(e) Pt原子。
总结与展望
研究人员通过In的掺杂，成功在L10-PtCoIn@Pt催化剂中促进了p-d轨道杂化，增强了原子间的相互作用，同时对Pt的电子结构进行了有效调控。这一系列优化使催化剂在电化学旋转电极与膜电极测试中展现出出色质量活性和高度的稳定性，此外，通过理论研究进一步验证了In的引入有助于优化Pt的电子结构，调节Pt的d带中心，提高Pt和Co原子的空位形成能，从而有效降低了ORR反应能垒并显著增强了L10-PtCoIn@Pt的结构稳定性。这项工作不仅展示了L10-PtCoIn@Pt在性能和稳定性方面的明显，也为未来高性能催化剂的设计提供了重要的理论和实验依据。
作者介绍
陈俊松，电子科技大学教授，博士生导师。2008年于新加坡南洋理工大学获得学士学位，2012年在同所大学获得博士学位。2010年获得中国国家优秀留学生奖学金。博士毕业后，获得德国洪堡基金会奖学金，2013年于马克思普朗克胶体与界面研究所任洪堡学者。目前已发表SCI科研论文110篇，总引频次11000+次，其中多篇被选为ESI高被引论文，H因子47。连续多年被汤森路透社选为全球3000位“高被引科学家”(Highly Cited Researcher)。
魏子栋教授：教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划项目首席科学家，国家自然科学基金重大项目首席科学家，国家自然科学基金“多项反应传递与转化调控”创新群体骨干成员，“化工过程强化与反应”国家地方联合工程实验室主任。中国石油和化学工业联合会“电解水耦合绿色化工合成”重点实验室主任，重庆市“新能源化工”创新团队学术带头人，“锂电及新材料遂宁研究院”创院院长。作为项目或课题负责人主持国家重点研发计划项目1项，国家自然科学基金重大项目1项，国家“863”高技术项目1项、课题3项，国家“973”重大基础研究计划课题2项，国家自然科学基金重点项目3项，省部级重大研究项目4项。获省部级科学技术奖励一等奖、二等奖各1次。发表学术论文300余篇，他引19000余次。申请发明专利41项，获授权33项。出版《电化学催化》《氧还原电催化》专著2部。
文献信息： Lei Zhao, Zhaozhao Zhu, Junjie Wang, Jiayu Zuo, Haiyuan Chen, Xueqiang Qi, Xiaobin Niu, Jun Song Chen, Rui Wu* and Zidong Wei, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202501805.
通讯作者：吴睿
通讯单位：电子科技大学
论文DOI：10.1002/anie.202501805
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针对Pt基合金催化剂在苛刻的电催化氧还原反应(ORR)条件下，金属原子易发生迁移和溶解，从而导致性能急剧下降的问题，研究人员通过将铟(In)掺入到PtCo中，开发了一种新型L10-PtCoIn@Pt核壳合金催化剂。通过In的添加，促进了p-d轨道的杂化，优化了Pt的电子结构，并增强了原子间的相互作用。这些改进使得L10-PtCoIn@Pt 催化剂展现出优异的活性和耐久性。即使在经过120,000次加速老化测试后，其质量活性仅下降了5.1%。基于L10-PtCoIn@Pt阴极催化剂的膜电极（0.1 mgPt cm-2）在氢氧测试条件下，实现了1.99 W cm-2的峰值功率密度，并在0.9 V下达到了0.73 A mgPt-1的高质量活性。在经过连续60,000次方波电位循环后，该催化剂能够保持其初始的质量活性，并在0.8 A cm-2电流密度下保持稳定电池电压，超过了美国能源部2025年的耐久性目标。此外，通过理论研究进一步揭示了In的引入对于降低L10-PtCoIn@Pt催化剂反应能垒和提高原子抗溶出的关键作用。
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其高效的能量转换效率和环保特性，被视为实现全球可持续能源系统的关键技术。然而，阴极ORR的动力学缓慢，需要大量使用贵金属Pt，这不仅增加了成本，还加剧了Pt资源稀缺的问题。通过将Pt与3d过渡金属（如Fe、Co、Ni）形成合金虽然可以降低Pt用量并提升ORR活性，但这些合金在苛刻的PEMFC工作环境中(pH < 1，阴极电位：0.6-1.5 V，电池温度：60-80°C)容易发生金属的腐蚀和脱合金化，导致性能迅速降低。尽管通过合成有序的金属间化合物能够有效缓减这一过程，但实现合金的有序化转变需要克服较高的能垒，这又会导致纳米颗粒发生明显的烧结。因此，在Pt合金催化剂的合成过程中通常需要平衡原子有序度与纳米颗粒尺寸之间的关系，这种折中使得催化剂活性和稳定性的增强受到限制。因此，开发兼具高活性和高耐久性的催化剂是当前的研究重点。
研究出发点
基于L10-PtCoIn@Pt阴极催化剂氢氧燃料电池的实现了1.99 W cm-2的峰值功率密度，并在0.9 V下达到了0.73 A mgPt-1的质量活性。在经过60000次方波电位循环后，该催化剂依然能保持初始的质量活性，并在0.8 A cm-2电流密度下保持稳定电池电压，展现出极其优异的耐久性。
理论研究进一步证实了In的引入对于降低PtCoIn催化剂反应能垒、并提高了Pt和Co原子的空位形成能。
图2. (a) XRD图谱。(b) Pt 4f XPS图谱。(c) Co 2p XPS图谱。(d) Pt L3边XANES图谱。(e) Pt的FT-EXAFS图谱。(f) Co K边XANES图谱。(g) Co的FT-EXAFS谱图。
图3. (a) ORR极化曲线。(b) Tafel曲线图。(c) 质量活性和比活性柱状图。加速老化测试过程中的 (d) CV曲线，(e) ORR极化曲线，(f) 电化学活性比表面积，(g) 质量活性。(h) 不同Pt基催化剂的加速老化测试圈数与质量活性保留率对比图
图5.(a) PtCoIn投影态密度图 (PDOS)。(b) PtCo和PtCoIn的PDOS和d带中心。(c) ORR反应自由能图。空位形成能：(d) Co原子，(e) Pt原子。
总结与展望
研究人员通过In的掺杂，成功在L10-PtCoIn@Pt催化剂中促进了p-d轨道杂化，增强了原子间的相互作用，同时对Pt的电子结构进行了有效调控。这一系列优化使催化剂在电化学旋转电极与膜电极测试中展现出出色质量活性和高度的稳定性，此外，通过理论研究进一步验证了In的引入有助于优化Pt的电子结构，调节Pt的d带中心，提高Pt和Co原子的空位形成能，从而有效降低了ORR反应能垒并显著增强了L10-PtCoIn@Pt的结构稳定性。这项工作不仅展示了L10-PtCoIn@Pt在性能和稳定性方面的明显，也为未来高性能催化剂的设计提供了重要的理论和实验依据。
作者介绍
陈俊松，电子科技大学教授，博士生导师。2008年于新加坡南洋理工大学获得学士学位，2012年在同所大学获得博士学位。2010年获得中国国家优秀留学生奖学金。博士毕业后，获得德国洪堡基金会奖学金，2013年于马克思普朗克胶体与界面研究所任洪堡学者。目前已发表SCI科研论文110篇，总引频次11000+次，其中多篇被选为ESI高被引论文，H因子47。连续多年被汤森路透社选为全球3000位“高被引科学家”(Highly Cited Researcher)。
魏子栋教授：教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划项目首席科学家，国家自然科学基金重大项目首席科学家，国家自然科学基金“多项反应传递与转化调控”创新群体骨干成员，“化工过程强化与反应”国家地方联合工程实验室主任。中国石油和化学工业联合会“电解水耦合绿色化工合成”重点实验室主任，重庆市“新能源化工”创新团队学术带头人，“锂电及新材料遂宁研究院”创院院长。作为项目或课题负责人主持国家重点研发计划项目1项，国家自然科学基金重大项目1项，国家“863”高技术项目1项、课题3项，国家“973”重大基础研究计划课题2项，国家自然科学基金重点项目3项，省部级重大研究项目4项。获省部级科学技术奖励一等奖、二等奖各1次。发表学术论文300余篇，他引19000余次。申请发明专利41项，获授权33项。出版《电化学催化》《氧还原电催化》专著2部。
文献信息： Lei Zhao, Zhaozhao Zhu, Junjie Wang, Jiayu Zuo, Haiyuan Chen, Xueqiang Qi, Xiaobin Niu, Jun Song Chen, Rui Wu* and Zidong Wei, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202501805.
