質子交換膜燃料電池(PEMFC)被廣泛認為是向可持續能源過渡的可行方案，在氫經濟計劃中發揮著關鍵作用。盡管在過去的幾十年里，PEMFC陰極氧還原反應(ORR)催化劑的研究取得了顯著的進展，但是開發既具有優異的活性又具有良好耐久性的催化劑仍然是一個巨大的挑戰。Pt-M (M=過渡金屬元素)合金表現出比Pt/C更好的ORR活性，但是大多數Pt-M合金催化劑在PEMFC苛刻的操作條件下由于金屬的浸出而遭受顯著的結構降解，導致穩定性不足。

以前對金屬/合金腐蝕的研究表明，在合金中引入一些變價元素如V、Cr和Nb等可以有效地提高Pt-M的耐腐蝕性。原則上，這些變價金屬具有弱的電子親和力和強的電離傾向，可以作為接受或給予電子的緩沖區，從而促進金屬合金中的電子傳輸，這有助于均勻分布電子密度，減少局部電荷不平衡和極化。受到這一現象的啟發，在Pt-M合金ORR電催化劑中引入電子緩沖劑有望在酸性環境中以高電位操作時有效降低Pt殼的表面氧化和極化。

基于此，華中科技大學李箐課題組通過引入電子緩沖劑(可變價金屬元素，即M= Ti，V，Cr和Nb)，以增強金屬間化合物Pt合金ORR催化劑的結構穩定性。其中，L1₀-Cr-PtFe/C的ORR活性和穩定性最好。在0.54~0.90 V_RHE電壓范圍內，原位X射線吸收光譜(XAS)測試結果表明，與L1₀-PtFe相比，Cr的引入可以有效地起到電子緩沖劑的作用，通過降低價態和減弱拉伸應變抑制Pt殼層的表面極化，從而穩定催化劑的結構，防止Pt/Fe的溶解。

在質子交換膜燃料電池(PEMFC)中，陰極Pt總負載量分別為0.075和0.125 mg_Pt cm^-2(陽極負載量為0.025 mg_Pt cm^-2)的條件下，L1₀-Cr-PtFe/C的初始質量活性(MA)分別為1.41和1.02 A mg_Pt^-1 (0.90 V)，額定功率分別為14.0和9.2 W mg_Pt^-1。此外，經過60000次ADT循環后，L1₀-Cr-PtFe/C的MA保持率為71%，額定功率密度為7.9 W mg_Pt^-1 (0.99 W cm^-2)，以及在0.8 A cm^-2處的潛在損失僅為20 mV，是文獻報道的性能最好的Pt基合金陰極中之一。

密度泛函理論(DFT)計算結果表明，Cr的引入優化了Pt的d帶中心和表面應變，從而提高了ORR活性；Cr的引入增加了Pt殼層的電子富集，提高了Pt脫離和Fe擴散的動力學勢壘，從而提高了ORR的長期穩定性。因此，該項研究所提出的策略有望促進惡劣電化學環境下耐久催化劑的開發，并可擴展到其他電化學能量轉換技術應用中。

Introducing electron buffers into intermetallic Pt alloys against surface polarization for high-performing fuel cells. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c10681