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碳基鉑納米顆粒(Pt-NPs/C)作為質子交換膜燃料電池（PEMFC）最先進的氧還原反應(ORR)催化劑，目前仍存在不理想的內在活性、耐久性差和成本高的問題。

將鉑與第一排過渡金屬(TM= Co, Fe, Ni等)合金化，獲得獨特的幾何構型和電子結構，是目前同時解決上述問題的可行策略。Pt金屬間化合物(IMC)，而不是無序的PtM合金，已被證明通過強3d-5d軌道耦合沿晶體c方向顯著提高ORR固有活性和穩定TM原子。

雖然已經取得了巨大的進展，優秀的ORR活性總是專門從旋轉圓盤電極(RDE)測量獲得，很少有效地轉化為膜電極組裝(MEA)結構。因此，如何使PtM- IMC催化劑在燃料電池運行條件下獲得優異的性能是一個迫切需要解決的關鍵問題。

與低負載(< 20 wt.%)的PtM-IMC/C催化劑相比，具有高效性能表達的高負載PtM-IMC/C催化劑被認為是PEMFC中最具實際應用前景的候選催化劑，主要基于以下方面：

1. 高金屬/碳比會使催化層(CL)變薄，加速傳質，從而顯著降低電壓損失，特別是在高電流密度(>1.0 A cm^-2)下。

2. 高金屬比可能增加金屬活性位點和離聚物(如Nafion樹脂)的可及性，從而擴大三相反應界面，從而提高燃料電池性能。

3. 低碳可以降低工作環境(如高電位、強酸和高氧濃度)下碳腐蝕的風險，從而有效減緩納米顆粒(NPs)的Ostwald熟化，延長燃料電池的壽命。

遺憾的是，PtM-IMC結構的形成通常涉及高溫退火，不可避免地導致了嚴重的IMC燒結，其NP尺寸約為8-10 nm，遠遠大于PtM合金或Pt/C，從而大大降低了Pt利用率和ORR活性。特別是對于高負載的PtM-IMC/C催化劑，高密度NPs極容易集聚成大型NPs，進一步增加了小尺寸PtM-IMC/C催化劑可控合成的難度。因此，需要創新的方法來簡單、高效地合成高負載、小尺寸的PtM-IMC/C催化劑，以便在PEMFC中實際應用。

最近，上海高等研究院楊輝研究員團隊在Energy Environ. Sci.上發表了最新成果，開發了一種新的高負載、小尺寸的催化劑合成策略。

在此，作者提出了一種氧化鈷輔助熱遷移策略，以確保從超細Pt納米晶到亞6 nm高負載(約44.7% wt.%)Pt₁Co₁金屬間化合物核殼結構(Pt₁Co₁-IMC@Pt/C)的高效結構演化。

具體來說，沉積的Co₃O₄不僅促進了Pt/Co原子間的相互擴散，因為原位形成了大量的氧空位，而且通過空間屏障效應阻止了NPs的燒結。

利用X射線吸收譜和DFT研究了Pt₁Co₁-IMC@Pt核殼結構在調控Pt/Co原子的晶格收縮、d帶中心和抗氧化性方面的關鍵作用。Pt-Co原子的有序排列賦予表面Pt較低的d帶中心，并提高Pt/Co位點的抗氧化性，從而同時提高ORR活性和耐久性。DFT證實，O*/OH*中間體的吸附能力減弱，Pt/Co原子的抗氧化能力提高，分別是活性和耐久性提高的原因。

在旋轉圓盤電極測量中，優化的催化劑固有ORR質量活性高達0.53 A/mg_Pt（0.90 V vs RHE）。含有這種催化劑的PEMFC具有創紀錄的高功率密度（80°C時H₂-O₂/air條件下為2.30/1.23 W cm^-2）和非凡的穩定性，在Pt基催化劑中，燃料電池性能最高。

值得注意的是，在燃料電池中，計算得到的在0.9 V下達到的電流0.46 A/mg_Pt，超過了2020年DOE目標（0.44 A/mg_Pt），非常接近本征值，這明確證實了高負載Pt₁Co₁-IMC@Pt/C在燃料電池條件下的活性表達中的優越性。

本研究為未來高負載高性能燃料電池電催化劑的發展提供了理想的策略，為低鉑催化劑在未來PEMFCs的實際應用鋪平了一條新途徑。

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