超薄海胆状PdPtCu-CeO2三元合金纳米片高效催化甲醇氧化的设计与性能研究

为解决Pt基催化剂在直接甲醇燃料电池(DMFCs)中存在的碳载体腐蚀、成本高昂及稳定性差等问题，研究人员设计了一种负载于CeO2纳米片上的超薄海胆状PdPtCu三元合金催化剂。通过CuO-CeO2复合载体与酸介导配体交换技术，实现了铜物种的高效掺入和氧空位调控。该催化剂在碱性条件下表现出比商业Pt/C高3倍的质量活性与比活性，并展现出卓越的抗中毒能力和长期稳定性，为开发低成本、高耐久性DMFC电催化剂提供了新思路。

　　

在能源转型的全球背景下，直接甲醇燃料电池(DMFCs)因其高能量密度和清洁特性成为研究热点，但其核心组件——铂基催化剂却面临碳载体腐蚀、铂资源稀缺和中间产物中毒三大"卡脖子"难题。传统Pt/C催化剂在长期运行中，碳载体易被氧化导致活性组分脱落，而昂贵的铂金属利用率不足30%，更糟的是甲醇氧化过程中产生的CO_ads等毒化物种会使催化剂"窒息"失效。这些瓶颈严重制约着DMFCs的商业化进程，亟需开发兼具高活性、强抗毒性和低成本的新型催化体系。

韩国基础科学研究院(Korea Basic Science Institute)的Hyeon Jeong Kim、Myong Yong Choi等研究人员在《Journal of Materials Science》发表创新成果，通过"氧化物载体工程+多金属协同"的双重策略，设计出超薄海胆状PdPtCu-CeO₂纳米催化剂。研究采用热分解法制备CuO-CeO₂复合载体，通过酸处理选择性浸出铜物种产生氧空位；利用CTAC(十六烷基三甲基氯化铵)同时作为表面活性剂和温和还原剂，调控PdPtCu三元合金的形貌与组分分布。系统比较了Pd₃Pt₆Cu₁、Pd₅Pt₄Cu₁等不同比例合金的性能，发现优化的Pd₅Pt₄Cu₁-CeO₂具有181±15 nm的均一尺寸和独特分级孔隙结构。

结构分析显示，UV-vis光谱证实金属-配体电荷转移相互作用，XRD证明成功构建面心立方(fcc)合金相。HR-TEM观察到0.22 nm晶格间距对应Pt(111)晶面，EDS mapping证实Pd、Pt、Cu元素均匀分布。电化学测试表明，在1 M KOH+1 M CH₃OH体系中，Pd₅Pt₄Cu₁-CeO₂的质量活性达3.12 A mg_Pt^-1，是Pt/C的3.1倍；计时电流法显示经过3600秒测试后仍保留81.7%的初始电流，远优于商业催化剂。

机理研究指出三重协同效应：1) CeO₂通过Ce⁴⁺/Ce³⁺可逆氧化还原提供丰富OH^-吸附位点，加速CO_ads氧化清除；2) Cu掺入优化Pt电子结构，降低CO结合能；3) 海胆状形貌增加低配位活性位点暴露。对比实验证实三元合金性能显著优于PdPt/C等双金属对照组，证实Cu的掺入对提升抗中毒能力具有不可替代作用。

该研究突破传统碳载体的局限，开创性地采用氧化物衍生载体与多金属合金的复合设计，不仅将贵金属用量降低60%，更通过界面工程实现"1+1>2"的催化增强。其提出的酸介导配体交换策略为金属物种在氧化物表面的锚定提供了普适性方法，而结构-性能关系的深入阐释为下一代非碳基电催化剂设计提供了理论蓝图。这项成果从材料体系创新到机理认知突破，为推进DMFCs的实际应用迈出关键一步，被审稿人评价为"多金属催化剂设计范式的转变"。