质子交换膜的燃料电池技术（PEMFC）是一种蕴藏巨大潜力的清洁能源，具有良好的商业化前景。目前，铂基催化材料对于在酸性介质下的氧还原反应（ORR）发挥着难以取代的作用。但是，贵金属铂的高昂价格和稀缺性制约了其商业化应用，亟需降低铂基催化剂中铂的使用成本。因此，目前酸性ORR面临的关键挑战是如何提升铂的催化原子利用率，降低铂含量的同时以提高酸性介质中的ORR性能。

本工作基于金属载体相互作用和合金效应的双重作用来设计提升并复合催化剂中Pt的原子利用效率。拓扑碳缺陷（尤其是五元环缺陷）对金属原子具有显著增强的配位效应，可作为优先捕获金属催化剂的锚点中心，获得均质分散的Pt催化剂从而提升其原子利用率；Pt与廉价过渡金属的合金化既能提升Pt的原子利用率，还能通过合金效应进一步优化其催化性能。本工作通过氨热处理，研究人员成功获得了拓扑缺陷碳载体负载超细Pt-Co纳米合金的复合催化材料。基于显著的Pt-Co合金效应和强金属-载体相互作用的给电子效应，降低ORR过程中的含氧中间体的吸附能，从而有效提升其ORR的催化能力。获得的低Pt催化剂表现了优异的ORR催化活性（半波电位达到0.926 V，相较于可逆氢电极）和稳定性（经过12小时的计时电流法测试，电流密度仅损失 3.6%），显示出良好的应用潜力。

图1 负载在拓扑碳缺陷衬底上的超细PtCo合金纳米颗粒的合成路线。（a）ZIF-8@ZIF-67前驱体的合成。（b）热解形成包裹在N掺杂碳中的Co纳米颗粒。（c）Co-NC纳米颗粒与H₂PtCl₆发生的吸附反应及氨热处理。（d）拓扑碳缺陷锚定的铂钴合金在酸性介质中作为氧还原反应电催化剂的放大模型图。

图2PtCo-DC的形貌和结构。（a）FESEM图像。（b）低倍率的TEM图像。（c）高倍率的TEM图像及相应的粒径分布图（插入图）。（d-e） HRTEM图像。（f） HAADF-STEM图像。（g）图2f框选区域显示的单个纳米颗粒中Pt, Co, C, N的EDX图谱。

图3结构表征。（a）PtCo-DC的XRD结果。（b）PtCo-DC模拟的XRD图谱与实测的XRD图谱的比较。（c）PtCo-DC的N₂吸附-脱附等温线，插入图像为微孔尺寸分布图。（d）PtCo-DC和PtCo-NC的Pt 4f的XPS结果。（e）PtCo-DC和PtCo-NC的拉曼光谱。（f）PtCo-DC和PtCo-NC的Pt 4f的XPS结果。

图4 电化学性能。（a）在O₂饱和的0.1 M HClO₄溶液中，以1600 rpm的转速在10 mV s⁻¹的扫速下收集的PtCo-DC、Pt-DC和PtCo-NC的ORR极化曲线。（b）PtCo-DC和商业Pt-C在经过5000次CV循环前后的ORR极化曲线的比较。（c）PtCo-DC在不同电位下的Koutecky-Levich图，插入图显示不同转速下的ORR极化曲线。（d）PtCo-DC、PtCo-NC和商业Pt-C的Tafel斜率图。（e）PtCo-DC和商业Pt-C催化剂在0.6 V（相较于可逆氢电极）下的耐久性实验。（f）PtCo-DC与最近报道的ORR催化剂的稳定性比较。

图5 DFT计算结果。（a）Pt（111）和Pt-Co合金催化剂的ORR反应的自由能图。（b）表层铂原子d轨道的投影密度分布（pDOS）。（c）共价界面形成前后d带中心的比较。（d） Pt-Co合金催化剂的电荷密度差分图，绿色和黄色分别表示电子积累和耗尽。（e）PtCo-585-边缘的电荷密度差分图，绿色和黄色分别表示电子积累和耗尽。

苏建伟，安徽大学教授，博士生导师。2011年于南京工业大学获得学士学位，2014年于中科院固体物理所获得硕士学位，2017年于中国科学技术大学获得博士学位。2017年7月进入中科院宁波材料所从事博士后研究，出站后于2020年晋升为副研究员。2021年5月加入安徽大学物质科学与信息技术研究院。主要研究方向是高效电化学能源转化催化材料的设计与开发，及其催化机制与构效关系的研究工作。以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interface等国际学术期刊上发表论文十余篇。

田子奇，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，博士生导师。2009年获得南京大学物理化学学士学位，2014年在南京大学化学化工学院获得博士学位（导师马晶教授），2014年至2017年在美国加州大学河滨分校从事博士后研究，2017年10月加入中科院宁波材料技术与工程研究所。目前主要从事催化与分离体系的理论模拟，研究成果以第一作者或通讯作者发表在Adv. Mater.、Nat. Conmmun.、Nano Lett.等国际权威期刊上。

江鹏，博士，现为深圳大学微纳光电子学研究院博士后。2019年在中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心获得博士学位（导师陈乾旺教授），2019年至今年在清华大学化学系（导师李亚栋院士、王定胜教授）以及深圳大学/中国科学技术大学从事博士后研究。目前主要从事包括单原子材料、合金以及纳米复合材料的合成开发及其在能源催化领域的功能化应用，致力于在原子尺度上揭示位点结构与催化机理。以第一/共一/共通作者在Nat.Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Appl.Catal. B Environ.、Mater. Today Sustain.、J. Mater. Chem. A、ACS Catal.、Nanoscale、Nano Res.等国际期刊发表论文9篇。

Ji N, Sheng H, Liu S, et al. Boosting oxygen reduction in acidic media through integration of Pt-Co alloy effect and strong interaction with carbon defects. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6774-3.