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为解决质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中氧还原反应（ORR）动力学缓慢及铂（Pt）基催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员开展了非晶 - 晶态（a - c）异质结催化剂用于酸性 ORR 的研究。结果显示该催化剂提升了催化活性和耐久性，为设计电催化剂提供了新思路。
在能源领域，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）被视为打破对化石能源依赖的重要途径。然而，其阴极发生的氧还原反应（ORR）涉及复杂的四电子转移过程，反应动力学迟缓，成为制约 PEMFCs 效率提升的瓶颈。目前，纳米结构的铂（Pt）基材料虽被认为是 PEMFCs 中 ORR 最具活性的电催化剂，但为补偿阴极缓慢的氧还原动力学，所需的大量 Pt 使得 PEMFCs 系统难以实现大规模商业化，其成本远高于燃料电池堆 30 美元 / 千瓦的最终目标。此外，将 Pt 与廉价过渡金属合金化虽能提高 ORR 质量活性、降低成本，却往往伴随着耐久性差的问题，过渡金属的浸出会恶化催化活性并缩短 Pt 基合金催化剂的使用寿命。因此，设计同时提高质量活性和催化稳定性的电催化剂迫在眉睫。
在此背景下，中南大学等机构的研究人员开展了一项关于非晶 - 晶态（a - c）异质结催化剂的研究。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为解决上述难题提供了新的方向。
研究人员采用精心设计的 “模板 - 溶剂” 策略，成功制备出具有丰富非晶 - 晶态边界的有序介孔纳米颗粒（ac - Ni (OH)2@m - Pt）。这种独特的催化剂能够在异质界面实现电子重分布，进而提升催化活性和耐久性。在酸性介质中，ac - Ni (OH)2@m - Pt 展现出优异的 ORR 性能，其半波电位达到 0.912V（相对于可逆氢电极，vs. RHE），四电子选择性高达 98%，质量活性（MA）为 0.95 A mg-1Pt ，且在 15000 次循环后 MA 保留率仍达 89.8%。这一成果对于推动 PEMFCs 的发展具有重要意义，有望为降低 PEMFCs 成本、提高其性能提供关键技术支持。
为开展此项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。在材料表征方面，利用透射电子显微镜（TEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、能量色散 X 射线光谱（EDX）、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）和 X 射线吸收精细结构（XAFS）等技术，对催化剂的形貌、晶体结构、元素分布、表面成分和电子结构进行深入分析。在电化学测试中，采用旋转圆盘电极（RDE）和旋转环盘电极（RRDE）技术，结合循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV），研究催化剂的 ORR 性能和稳定性。此外，还通过原位 XAFS 和原位同步辐射红外光谱（SRIR）技术，以及密度泛函理论（DFT）计算，深入探究反应机理。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 催化剂的制备与表征：通过 “模板 - 溶剂” 策略成功制备 ac - Ni (OH)2@m - Pt 催化剂，XRD 结果表明 Pt 以结晶态为主，Ni 以非晶态存在于 Pt 中，且 Ni 物种与 Pt 之间存在强界面相互作用，导致 Pt 晶格收缩。TEM 和 HRTEM 图像显示，催化剂呈多面体形状，尺寸在 100 - 120nm 之间，具有丰富的介孔结构和非晶 - 晶态边界，EDX 表征证实了 Pt、Ni、O 元素的均匀分布。
- 催化剂的电子性质：XPS 分析显示，表面 Pt 主要以金属态存在，Ni 物种主要为 Ni (OH)2。XAFS 测量结果表明，由于非晶态 Ni 物种的引入，ac - Ni (OH)2@m - Pt 中 Pt 的电子性质发生改变，电子从 Pt 转移到 Ni 位点，使 Pt 位点呈现相对较高的氧化态。
- 酸性电解液中的电化学表征：RDE 测试结果表明，ac - Ni (OH)2@m - Pt 的电化学活性表面积（ECSA）最大，其 ORR 活性最佳，半波电位比 m - Pt 和 PtC 分别高 36mV 和 57mV，质量活性和比活性也显著高于二者。Koutecky - Levich（K - L）图和 RRDE 测量结果证实，ac - Ni (OH)2@m - Pt 在 ORR 过程中遵循高效的四电子反应路径，H2O2产率低。加速降解测试（ADT）显示，ac - Ni (OH)2@m - Pt 稳定性良好，15000 次循环后半波电位仅衰减 7mV，ECSA 保留率约为 92%，质量活性下降不到 11%。
- 通过原位表征探索机理：原位 XAFS 测量表明，在 ORR 相关电位下，Pt 和 Ni 位点的氧化态发生动态变化，电位驱动的 a - c 异质界面电子重分布促进了氧分子在 Pt 位点的吸附和演化。原位 SRIR 光谱显示，ac - Ni (OH)2@m - Pt 在 ORR 过程中存在OOH、O 和OH 中间体的特征红外峰，表明其遵循典型的四电子 ORR 路径，且 a - c 界面的协同作用加速了OH 的形成。
- 从原位 SRIR 和计算研究解读反应机理：DFT 计算结果表明，引入 a - c 边界降低了 * O 质子化过程的能垒，使 ac - Ni (OH)2@m - Pt 能够更高效地实现四电子转化，提升了 ORR 性能。
综上所述，研究人员成功制备了具有丰富非晶 - 晶态边界的有序介孔 Pt 基电催化剂 ac - Ni (OH)2@m - Pt，其在酸性 ORR 中表现出优异的活性和稳定性。机理研究揭示了电位驱动的 a - c 异质界面电子重分布机制，以及非晶态 Ni (OH)2在促进 Pt 位点氧分子吸附和激活过程中的关键作用。该研究为设计基于界面工程的铂基酸性 ORR 催化剂提供了有价值的见解，尽管在稳定性方面与工业应用要求仍存在差距，但为后续研究指明了方向，未来可通过多原子掺杂、界面工程、电极优化和迭代设备改进等策略进一步提升 Pt 基催化剂的稳定性。
