通訊單位：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué) 論文DOI：10.1126/science.abj9980中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)梁海偉教授課題組與該校林岳博士、以及北京航空航天大學(xué)水江瀾教授課題組等合作，發(fā)展了一種高溫硫錨定合成方法學(xué)，實(shí)現(xiàn)了小尺寸金屬間化合物（intermetallic compounds，簡(jiǎn)寫為IMCs）燃料電池催化劑的普適性合成，成功構(gòu)建出由46種Pt基二元和多元IMCs催化劑組成的材料庫，并基于該材料庫發(fā)現(xiàn)了IMCs電催化氧還原活性與其二維晶面應(yīng)力之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。金屬間化合物（IMCs，又稱原子有序合金）具有規(guī)整的表面或近表面原子有序排列結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的電子特性，在眾多化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能并因此受到廣泛關(guān)注。特別是在質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域中，Pt基IMCs有望成為新一代低Pt陰極氧還原催化劑并大幅降低燃料電池核心部件膜電極的成本。雖然在熱力學(xué)上，IMCs結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的無序固溶體合金結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定相，但I(xiàn)MCs的合成往往需要高溫?zé)崽幚韥砜朔滔嘀性佑行蚧嘏诺膭?dòng)力學(xué)能壘。然而，高溫?zé)崽幚聿豢杀苊鈺?huì)造成金屬顆粒的嚴(yán)重?zé)Y(jié)和活性金屬表面積的降低，并最終導(dǎo)致Pt利用率的下降和燃料電池成本的大幅提升。因此，發(fā)展小尺寸Pt基IMCs催化劑的合成方法是大幅降低燃料電池成本的關(guān)鍵所在。在該項(xiàng)工作中，研究人員基于梁海偉教授課題組近期在金屬—碳載體強(qiáng)相互作用領(lǐng)域取得的系列成果(Science Advances 2018, 4, eaat0788；Science Advances 2019, 5, eaax6322；Nature Communications 2019, 10 , 4977；Nature Communications 2021, 12 , 3135；Nature Communications 2021, 12, 4865)，使用硫摻雜碳（S-C）為載體，發(fā)展了一種高溫硫錨定合成策略，構(gòu)建出由46種小尺寸Pt基IMCs催化劑組成的材料庫；基于該龐大、完備的IMCs催化劑材料庫，研究人員并發(fā)現(xiàn)了IMCs電催化氧還原活性與其二維晶面應(yīng)力之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。基于鉑和S-C載體之間的強(qiáng)相互作用（Pt與S成鍵），S-C載體表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫抗燒結(jié)能力。基于此，研究人員發(fā)展了小尺寸鉑基IMCs催化劑的高溫硫錨定合成方法學(xué)。高溫合成有效地促進(jìn)了合金化并克服了原子有序化的動(dòng)力學(xué)能壘，確保得到高度有序的金屬間物相；而高溫硫錨定原理有效地抑制了合金顆粒在高溫下熟化，實(shí)現(xiàn)了小尺寸IMCs催化劑的成功合成（圖1）。▲圖1.（A）IMCs的形成需要克服原子有序化重排的動(dòng)力學(xué)能壘；（B）高溫?zé)崽幚硗瑫r(shí)促進(jìn)原子有序化和催化劑的燒結(jié)；（C）高溫硫錨定合成法。
基于該高溫硫錨定方法，研究人員構(gòu)建出由46種小尺寸Pt基IMCs催化劑組成的材料庫，包括20種二元（囊括了所有3d過渡金屬元素和數(shù)種p區(qū)元素）以及26種多元IMCs（圖2）。▲圖2. 由46種小尺寸Pt基二元和多元IMCs催化劑組成的材料庫。
系列譜學(xué)表征證實(shí)Pt和碳載體中摻雜的硫原子之間存在強(qiáng)鍵合作用，該作用極大程度上抑制了合金顆粒在高溫下的燒結(jié)，從而能夠在高溫下形成平均尺寸小于5納米的IMCs催化劑。X射線衍射和球差電鏡表征證明了IMC物相的成功合成、小尺寸性、高度有序性、以及規(guī)整的原子有序排列結(jié)構(gòu)（圖3）。▲圖3. 球差電鏡揭示IMCs的規(guī)則原子排列結(jié)構(gòu)。
基于構(gòu)建的龐大、完備的Pt基IMCs材料庫，結(jié)合DFT計(jì)算歸納出IMCs電催化氧還原本征活性與其二維晶面應(yīng)力存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)性：氧還原活性隨著壓縮應(yīng)變的增加呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢(shì)（圖4A、B）。該現(xiàn)象不同于現(xiàn)有經(jīng)典理論預(yù)測(cè)的火山關(guān)系趨勢(shì)，可能原因是實(shí)際材料存在壓縮應(yīng)變弛豫現(xiàn)象，最外層原子的真實(shí)壓縮應(yīng)變會(huì)顯著小于測(cè)量值，從而無法表現(xiàn)出存在峰值的火山曲線關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了真實(shí)材料庫對(duì)研究催化劑構(gòu)效關(guān)系和篩選最優(yōu)組成具有理論預(yù)測(cè)不可替代的重要作用?；诖?，研究人員進(jìn)一步預(yù)測(cè)：若能進(jìn)一步通過減小IMCs的晶格常數(shù)增大壓縮應(yīng)變，將有望將催化活性推向峰值。所制備的部分IMCs催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化氧還原性能。氫氧燃料電池測(cè)試表明，PtNi IMC催化劑展現(xiàn)出超高質(zhì)量活性（0.9V電壓下達(dá)1.84 A/mgPt，遠(yuǎn)超過美國(guó)能源部2025目標(biāo)）（圖4C）。在氫空燃料電池測(cè)試中，僅使用1/10商業(yè)Pt/C催化劑Pt用量的PtCo IMCs催化劑表現(xiàn)出與Pt/C催化劑相當(dāng)?shù)碾姵匦阅埽▓D4D）。具有超低Pt負(fù)載的PtCo IMC陰極在高化學(xué)計(jì)量比氣流下達(dá)到了1.08 W/cm2的峰值功率密度。▲圖4. （A、B）IMCs電催化氧還原本征活性與表面壓縮應(yīng)變呈現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)性；（C）IMCs催化劑氫氧燃料電池質(zhì)量活性（0.9 V，膜電極測(cè)試）；（D）IMCs和商業(yè)Pt/C催化劑氫空燃料電池性能對(duì)比（IMCs催化劑Pt用量比Pt/C低10倍以上）。
基于前期在金屬—碳載體強(qiáng)相互作用領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累，發(fā)展了一種高溫硫錨定合成方法學(xué)，實(shí)現(xiàn)了小尺寸IMCs催化劑的普適性合成，成功構(gòu)建出由46種Pt基二元和多元IMCs催化劑組成的材料庫。基于該龐大、完備的材料庫結(jié)合DFT計(jì)算歸納出IMCs電催化氧還原活性與其二維晶面應(yīng)力之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，并從該材料庫中篩選出數(shù)種高活性氧還原IMCs電催化劑，表現(xiàn)出優(yōu)異的燃料電池性能。未來通過對(duì)碳載體的多孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化改性，有望降低局部氧傳輸阻抗來進(jìn)一步提高氫空燃料電池性能，并將其推向?qū)嵱没?/span>梁海偉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系/合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心教授、博士生導(dǎo)師。于2006年7月獲華東師范大學(xué)化學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2011年6月獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位（師從俞書宏院士）。2012年5月赴德國(guó)美因茨馬普高分子研究所從事博士后研究（合作導(dǎo)師：Klaus Müllen教授、馮新亮教授）。2016年初回國(guó)，入職中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系，并兼任合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心教授，同年入選海外高層次人才計(jì)劃。迄今為止，在包括Science, Science Advances, Nature Communications., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Acc. Chem. Res.,等國(guó)際期刊上發(fā)表論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)。論文共計(jì)被引用16000余次，H因子58（Google Scholar），2018年以來連續(xù)入選科睿唯安“高被引科學(xué)家” 名錄。獲得獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)包括：中科院海外高層次人才計(jì)劃終期考核優(yōu)秀（2020）、 國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng) （2016， 排名第二）、安徽省自然科學(xué)一等獎(jiǎng) （2014，排名第二）、全國(guó)百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文（2013）。
梁海偉課題組研究方向目前聚焦在原子有序合金（金屬間化合物）燃料電池催化劑的設(shè)計(jì)和合成方面，具體研究?jī)?nèi)容包括：1）依據(jù)金屬間化合物形成熱力學(xué)（包括相圖）和動(dòng)力學(xué)以及金屬燒結(jié)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等基本原理，發(fā)展小尺寸原子有序合金催化劑合成方法學(xué)；2）根據(jù)低鉑氫燃料電池面臨的挑戰(zhàn)，發(fā)展高活性、高耐久性原子有序合金燃料電池陰極催化劑；3）發(fā)展先進(jìn)碳載體材料，重點(diǎn)解決低鉑氫燃料電池陰極所面臨的局域傳輸阻抗問題。水江瀾，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，入選海外高層次人才計(jì)劃。主要從事氫能的制備、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化相關(guān)材料的研究工作，包括質(zhì)子膜燃料電池非鉑/低鉑氧還原催化劑、電制氫催化劑、儲(chǔ)氫材料等。迄今在Science, Nat. Nanotech., Nat. Catal., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊發(fā)表論文90余篇，發(fā)明專利5項(xiàng)。
林岳，2007年獲蘭州大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2012年獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)凝聚態(tài)物理博士學(xué)位。主持國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青、面上及青年項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院合肥大科學(xué)中心協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目等。入選2020年科睿唯安“高被引科學(xué)家”，及“2020年中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)”人才支持計(jì)劃?，F(xiàn)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度理化中心工作，負(fù)責(zé)球差電鏡的相關(guān)測(cè)試與研究工作，進(jìn)行能源材料的球差與原位電鏡研究，利用透射電子顯微鏡的相關(guān)技術(shù)，揭示新型能源材料的生長(zhǎng)機(jī)理和儲(chǔ)能機(jī)理，以理解材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)聯(lián)。在Science、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊發(fā)表一百余篇論文，他引一萬余次，Google H因子54。https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9980
