質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用受限于陰極緩慢的氧還原動(dòng)力學(xué)。目前，最有效提高氧還原催化活性的策略是通過過渡金屬M(fèi)(M=Fe,Co,Ni,Cu等)與貴金屬Pt合金化調(diào)控，來優(yōu)化催化劑和含氧物種之間的鍵合能，進(jìn)而增強(qiáng)氧還原催化活性。

最近研究表明，相對于表面催化劑，界面催化劑可以提供另一種有效的方式增強(qiáng)氧還原催化活性。然而如何設(shè)計(jì)具有新的界面增強(qiáng)機(jī)理的高效界面催化劑仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。由于具有高的電導(dǎo)和熱導(dǎo)率，優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性以及耐腐蝕性，近年來過渡金屬的碳化物獲得相當(dāng)大的關(guān)注。創(chuàng)建一個(gè)新的界面催化劑通過結(jié)合PtM和過渡金屬的碳化物仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

為解決這些問題，北京大學(xué)工學(xué)院郭少軍團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型啞鈴狀的PtFe-Fe2C納米粒子。這種啞鈴狀的PtFe-Fe2C納米粒子是通過碳化啞鈴狀的PtFe-Fe3O4納米粒子獲得(圖1a)。電化學(xué)測試表明，該催化劑在酸性介質(zhì)中的氧還原的比活性和質(zhì)量活性分別達(dá)到了3.53mAcm2和1.50Amg1，比商業(yè)Pt/C分別高出11.8和7.1倍，且具有極為優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，經(jīng)歷5000個(gè)循環(huán)催化劑的活性幾乎沒有衰減。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)具有一種新穎的無障礙的界面電子傳輸機(jī)理，更有利于電催化反應(yīng)的進(jìn)行從而提高電催化活性(圖1b)。這種無障礙的界面電子傳輸機(jī)理還能擴(kuò)展到其它電催化系統(tǒng)中，例如電催化析氫反應(yīng)和過氧化氫電催化還原。該催化劑在酸性介質(zhì)中析氫的比活性達(dá)到了28.2mAcm2，比商業(yè)Pt/C分別高出2.9倍。

基于該催化劑過氧化氫電化學(xué)傳感器的檢測限達(dá)到2nM。該工作對電催化理論研究和新型高效燃料電池電催化劑的開發(fā)具有指導(dǎo)意義，也為下一代高性能低成本電催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路。

圖1.a)合成示意圖;b)PtFe-Fe3O4納米粒子;c)PtFe-Fe2C納米粒子;d)DFT計(jì)算

該工作由北京大學(xué)工學(xué)院郭少軍團(tuán)隊(duì)完成。郭少軍為論文的通訊作者，博士后賴建平和香港理工大學(xué)黃博龍博士為共同第一作者。該項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和千人計(jì)劃等項(xiàng)目支持。