研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種高溫硫錨定合成方法學(xué)，實(shí)現(xiàn)了小尺寸金屬間化合物（IMCs）燃料電池催化劑的普適性合成，成功構(gòu)建出由46種Pt基二元和多元IMCs催化劑組成的材料庫(kù)，并基于該材料庫(kù)發(fā)現(xiàn)了IMCs電催化關(guān)聯(lián)性。

金屬間化合物又稱原子有序合金，具有規(guī)整的表面或近表面原子有序排列結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的電子特性，在眾多化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能并因此受到廣泛關(guān)注。特別是在質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域中，Pt基IMCs有望成為新一代低Pt陰極氧還原催化劑。

雖然在熱力學(xué)上，IMCs結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)序固溶體合金結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定相，但I(xiàn)MCs的合成往往需要高溫?zé)崽幚韥?lái)克服固相中原子有序化重排的動(dòng)力學(xué)能壘。然而，高溫?zé)崽幚聿豢杀苊鈺?huì)造成金屬顆粒的嚴(yán)重?zé)Y(jié)和活性金屬表面積的降低，并最終導(dǎo)致Pt利用率的下降和燃料電池成本的大幅提升。因此，發(fā)展小尺寸Pt基IMCs劑的合成方法是大幅降低燃料電池成本催化的關(guān)鍵所在。

在該項(xiàng)工作中，研究人員使用硫摻雜碳（S-C）為載體，發(fā)展了一種高溫硫錨定合成策略，構(gòu)建出由46種小尺寸Pt基IMCs催化劑組成的材料庫(kù)，包括20種二元（囊括了所有3d過(guò)渡金屬元素和數(shù)種p區(qū)元素）以及26種多元IMCs。

系列譜學(xué)表征證實(shí)Pt和碳載體中摻雜的硫原子之間存在強(qiáng)鍵合作用，該作用極大程度上抑制了合金顆粒在高溫下的燒結(jié)，從而能夠在高溫下形成平均尺寸小于5納米的IMCs催化劑。X射線衍射和球差電鏡表征證明了IMC物相的成功合成、小尺寸性、高度有序性以及規(guī)整的原子有序排列結(jié)構(gòu)。

基于構(gòu)建的龐大、完備的材料庫(kù)，研究人員發(fā)現(xiàn)IMCs電催化氧還原本征活性與其二維晶面應(yīng)力存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)性：在很寬的壓縮應(yīng)變范圍內(nèi)，其氧還原活性隨著壓縮應(yīng)變的增加呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢(shì)。該現(xiàn)象不同于現(xiàn)有經(jīng)典理論預(yù)測(cè)的火山關(guān)系趨勢(shì)。研究人員猜測(cè)，由于存在壓縮應(yīng)變弛豫現(xiàn)象，最外層原子的真實(shí)壓縮應(yīng)變會(huì)顯著小于測(cè)量值，從而無(wú)法表現(xiàn)出存在峰值的火山曲線關(guān)系?；诖?，研究人員進(jìn)一步預(yù)測(cè)：若能進(jìn)一步通過(guò)減小IMCs的晶格常數(shù)增大壓縮應(yīng)變，將有望將催化活性推向峰值。

該團(tuán)隊(duì)制備的部分IMCs催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化氧還原性能。特別是氫氧燃料電池測(cè)試表明，PtNi IMC催化劑展現(xiàn)出記錄性催化活性（0.9V電壓下，質(zhì)量活性高達(dá)1.84 A/mgPt）。在氫空燃料電池測(cè)試中，盡管Pt用量比商業(yè)Pt/C催化劑低10倍以上，PtCo IMCs催化劑表現(xiàn)出與Pt/C催化劑相當(dāng)?shù)碾姵匦阅堋＞哂谐蚉t負(fù)載的PtCo IMC陰極在高化學(xué)計(jì)量比氣流下達(dá)到了1.08 W/cm2的峰值功率密度，展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用前景。

未來(lái)通過(guò)對(duì)碳載體的多孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化改性，有望降低局部氧傳輸阻抗來(lái)進(jìn)一步提高氫空燃料電池性能。