2021年10月22日，Science以Report的形式發表了北京航空航天大學水江瀾教授課題組和中國科學技術大學梁海偉教授課題組等合作的最新研究成果“Sulfur-anchoring synthesis of platinum intermetallic nanoparticle catalysts for fuel cells”。楊成龍（中科大博士生）、王麗娜（北航博士生）、尹鵬（中科大博士生）、劉婕媛（北航博士生）為論文共同第一作者。中科大梁海偉教授，北航水江瀾教授、中科大林嶽博士為論文共同通訊作者。

　　團隊報道了一種普適的高溫硫限域金屬間化合物合成方法學，製備了46種Pt基小尺寸金屬間化合物（intermetallic compounds，簡寫為IMCs），基於該材料庫發現了IMCs的電催化氧還原活性與其二維晶麵應力之間的強關聯性，在電池器件中實現了鉑基催化劑質量活性突破，該成果有望進一步降低質子交換膜燃料電池的鉑金用量和成本。

圖1.（A）IMCs的形成需要克服原子有序化重排的動力學能壘；（B）高溫熱處理同時促進原子有序化和催化劑的燒結；（C）碳載體上硫限域方法抑製了金屬納米顆粒在高溫下移動和團聚。

圖2.球差電鏡展示了IMCs的超小粒徑和規則的原子排列。

　　Pt基IMCs是質子交換膜燃料電池領域新一代陰極氧還原催化劑，具有高活性和高穩定性特點，然而製備金屬間有序化合物需經曆高溫燒結，導致金屬納米粒子尺寸大、鉑利用率低。中科大團隊發展了一種高溫硫限域方法，成功避免了IMCs合成過程金屬納米顆粒燒結長大，該合成方法具有普適性，成功製出多種小尺寸IMCs，構建了Pt基IMCs材料庫（圖1，2）。基於多種Pt基IMCs的催化活性，北航團隊結合DFT計算，歸納總結出IMCs氧還原本征活性與其二維晶麵應力存在的強關聯性：氧還原活性隨著壓縮應變增加單調上升（圖3A、B）。該現象推翻了現有經典理論預測的火山關係圖，原因是實際材料往往存在壓縮應變弛豫現象，真實的壓縮應變會顯著小於理論值，該研究展示了真實的催化劑材料庫對研究催化劑構效關係和篩選最優組成具有理論預測不可替代的重要作用。

圖3.（A、B）Pt基IMCs電催化氧還原本征活性與晶格應變和表麵應變呈現強關聯性；（C）IMCs催化劑在H2-O2電池中在0.9 V的質量活性；（D）IMCs以不到商業Pt/C催化劑Pt用量的1/10實現同等H2-air電池性能。

　　北航水江瀾課題組憑借在膜電極和燃料電池器件方麵的豐富經驗，實驗展示了IMCs催化劑優異的質子交換膜燃料電池性能。H2-O2燃料電池測試表明，PtNi IMC具有超高質量活性（1.84 A/mgPt@0.9V，是美國能源部2025目標的4倍以上）（圖3C）。在H2-air燃料電池測試中，PtCo IMC以超低鉑用量（0.02 mgPt/cm2，不足商業Pt/C催化劑的1/10），達到與商業Pt/C相當的電池性能（圖3D），表明該類催化劑光明的應用前景。

　　本項工作的合作者還包括北京高能物理研究所儲勝啟副研究員、中科大同步輻射國家實驗室朱俊發教授、以及電子科技大學崔春華教授。該項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項基金、北京市自然科學基金、以及中科院青促會的資助。