景行
一、【科学背景】
质子交换膜燃料电池核心阴极反应为氧还原反应（ORR），铂基核壳金属间纳米催化剂Pt@PtM-i凭借独特电子配体与晶格应变协同效应，是高性能低铂催化材料的主流方向。但传统热力学平衡合成存在显著短板：需经高温合金化、长时间等温退火、酸浸脱合金、二次退火多步流程，耗时数小时；原子扩散势垒高易引发颗粒熟化，难以同步实现小尺寸与高有序金属间相；酸浸工艺无法精准控制铂壳原子层数，壳层厚度不均导致应变与电子效应调控受限，大幅制约催化活性与稳定性。现有制备路线效率低、结构可控性差，还难以规模化量产，且长期存在有序度与颗粒尺寸难以兼顾的固有矛盾，无法满足燃料电池车载场景对低成本、高活性、长寿命催化剂的需求。目前学界亟需突破平衡合成思路，开发一步、超快、原子级精准可控的新制备策略，在简化工艺的同时构建高密度ORR活性位点，兼顾实验室性能与工业化可行性，以此突破商用Pt/C催化剂活性不足、贵金属消耗高、耐久性不达标的瓶颈。
二、【创新成果】
天津大学胡文彬教授，吴忠研究员，北京大学周继寒研究员和香港城市大学刘彬教授等人提出非平衡瞬态组装热脉冲合成新策略，仅需数十秒即可一步制备原子层精准可控的核壳铂铁金属间催化剂Pt@PtFe-i，摒弃传统多步退火、酸浸等复杂工序。通过调控周期性热脉冲升温速率，精准调控铁元素挥发量，实现铂壳1–6层原子厚度连续可调，其中三层铂壳Pt₃L@PtFe-i综合性能最优。原子表征与理论计算证实，PtFe内核带来配位依赖的表面压缩应变，协同电子配体效应，在催化剂表面形成高密度高活性氧还原位点，约52%–58%表层铂原子具备优异催化活性。电化学测试显示，该催化剂氧还原活性为商用铂碳的16倍，十万次循环后性能衰减极小。装配质子交换膜燃料电池后，空气工况峰值功率达1.25 W·cm⁻²，3万次加速循环功率仅损失3.2%，预估使用寿命远超美国DOE指标。该合成方法具备普适性，可拓展至多类二元、高熵核壳金属间纳米晶，支持克级制备与工业卷对卷生产，为高性能低铂燃料电池催化剂提供全新、高效、可产业化的制备路线。
图1核壳结构Pt@PtFe-i纳米晶体的非平衡瞬态组装。(A)传统多步热力学合成与一步式非平衡瞬态组装策略的原理对比示意图。(B)瞬态组装过程中，分别经过第1次(B1)、第10次(B2)、第20次(B3)热脉冲后得到的PtFe纳米晶高角环形暗场扫描透射电镜图。(C)管式炉退火、焦耳热退火、周期性热脉冲三种工艺下PtFe物相构型演化路径，同时给出各构型对应的计算相对能量。(D)Pt@PtFe-i的高角环形暗场扫描透射电镜图。(E)Pt@PtFe-i原子级分辨高角环形暗场扫描透射电镜图。(F)对(E)图中框选区域分别采集的PtFe金属间相内核(F1)与铂表层(F2)快速傅里叶变换衍射图谱并完成标定。(G)铂箔（上图）与Pt@PtFe-i（下图）的铂L3边扩展X射线吸收精细结构小波变换谱图。©2026 Science
图2 基于瞬态组装策略调控Pt@PtM-i纳米晶铂壳厚度并拓展材料组分体系。(A)可程序调控升温速率的首轮热脉冲工艺示意图。(B)不同升温速率下金属熔体与金属蒸气的非平衡温压相图。(C)典型纳米晶归一化铁损失比例与首轮热脉冲升温速率的关联曲线。(D)不同升温速率首轮热脉冲处理后纳米颗粒的高角环形暗场扫描透射电镜图。(E)完整周期性热脉冲制备后不同样品的高角环形暗场扫描透射电镜图。(F)PtₙL@PtFe-i（n=6、4、3、1、0）纳米晶中铂、铁原子占比及对应铂铁原子比；误差棒代表至少10组独立测试的标准偏差，数据以平均值±标准偏差形式呈现。(G)可通过瞬态组装合成Pt@PtM-i的各类金属元素的原子半径、熔点、晶体结构覆盖范围。© 2026 Science
图3 Pt@PtFe-i纳米催化剂的氧还原电催化性能与质子交换膜燃料电池性能。(A)各类Pt@PtFe-i催化剂与商用铂碳的氧还原极化曲线；(B)各样品半波电位与比活性对比。(C)三层铂壳Pt@PtFe-i与已报道氧还原催化剂的耐久性对比，IMC代表金属间化合物。(D)三层铂壳Pt@PtFe-i与商用铂碳燃料电池的质量活性曲线，五角星标注美国能源部目标值。(E)三层铂壳Pt@PtFe-i与铂碳氢氧燃料电池极化曲线与功率密度曲线，RH为相对湿度。(F)三层铂壳Pt@PtFe-i与现有顶尖催化剂在氢空燃料电池中的额定功率、峰值功率密度对比。(G)经过90000次加速老化测试过程中氢空燃料电池极化曲线变化。(H)30000次加速老化循环后，三层铂壳Pt@PtFe-i与铂碳氢空燃料电池峰值功率密度、0.8安每平方厘米电流下电压衰减变化。(I)三层铂壳Pt@PtFe-i、商用铂碳与美国能源部核心性能指标对标，MA代表质量活性。© 2026 Science
图4三层铂壳Pt@PtFe-i催化剂活性位点原子尺度解析及氧还原性能提升机制。(A)催化剂表面铂原子配位数统计结果。(B)表面铂原子所属晶体晶面标定。(C)由表层三层铂壳至下方四层PtFe金属间相，随深度变化的平均铂–铂键长变化曲线。(D)不同配位数表面铂原子的铂–铂键长统计分布，IQR为四分位距。(E)表面铂原子键长分布表征。(F)三层铂壳Pt@PtFe-i表层铂壳压缩应变特征示意图。(G)密度泛函理论计算得到的氧吸附能差值等高线图，同时关联配位数与压缩应变，覆盖(111)、(100)、(311)三类晶面。(H)三层铂壳Pt@PtFe-i表面高活性催化位点原子分布图。© 2026 Science
该研究建立了一种瞬态组装策略，利用周期性热脉冲驱动高能瞬态PtM构型的持续转变，从而实现了核壳结构Pt@PtM-i纳米催化剂的高效精准合成，以“Transient assembly of precision-tuned platinum-skin intermetallic catalysts for fuel cells”为题发表在国际顶级期刊Science上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，本研究创新构建非平衡瞬态组装热脉冲合成策略，摆脱传统热力学多步制备的局限，实现数十秒一步合成原子层精准可控的Pt@PtFe-i核壳金属间催化剂。通过调控热脉冲升温速率可精确调控铂壳厚度，最优三层铂壳催化剂依靠晶格压缩应变与电子配体协同作用，在表面形成高密度氧还原高活性位点。该材料氧还原活性远超商用Pt/C，装配质子交换膜燃料电池后兼具超高功率密度与超长循环稳定性，各项关键性能全面超越美国DOE技术目标；同时合成路线具备普适性与规模化潜力，大幅简化制备流程、降低生产成本，为低铂燃料电池催化剂提供了全新工业化方案。
后续研究可进一步优化热脉冲参数，实现壳层、组分、晶面的多维度协同调控；拓展高熵、多金属复合催化体系，进一步降低铂负载甚至探索低贵金属体系；结合原位表征动态解析催化衰减机制，持续提升极端工况下稳定性；推进卷对卷量产工艺落地，加快高性能低铂电堆装车验证，助力氢燃料电池大规模商业化应用。
原文详情：Jia Ding, Tao Zhang, Wanqing Song, Zezhou Li, Xin Wang, Xinyi Yang, Jiahui Feng, Ming Wen, Yanan Chen, Zhong Wu, Jihan Zhou, Bin Liu, and Wenbin Hu, Transient assembly ofprecision-tuned platinum-skin intermetallic catalysts for fuel cells, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg2036
本文由景行撰稿
