近日，天津理工大学新能源材料与低碳技术研究院丁轶课题组、罗俊课题组与北京计算科学研究中心刘利民课题组联合攻关，设计并制备出电催化氧还原性能优异的低Pt纳米多孔核壳结构催化剂，相关工作以“Surface evolution of a Pt-Pd-Au electrocatalyst for stable oxygen reduction”（高稳定性氧还原催化剂Pt-Pd-Au的表面演化）为题于7月10日在线发表在《自然·能源》期刊上（Nature Energy, 2017, DOI: 10.1038/nenergy.2017.111）。 

　　质子交换膜燃料电池是当前国际新能源研究的热点之一，在交通运输、电子设备、便携式移动电源等领域具有广泛的应用前景。但高昂的价格和较差的稳定性是制约其走向大规模应用的关键。尤其是燃料电池的催化电极，极大地依赖于贵金属铂和氧还原动力学过程的催化活性，决定了整个电池的成本与性能。目前已成功商用的Pt/C催化剂，在实际工况条件下容易失活，并有Pt载量过高等缺点，难以满足燃料电池大规模应用的需求。因此改进电极结构、发展高性能低Pt催化剂是燃料电池技术最终走向商业应用的关键。 

　　该联合研究团队设计并制备出一种超薄亚纳米壳层厚度的Pt-Pd-Au纳米多孔金属催化剂。研究发现，该纳米多孔金属在前30000圈电化学循环扫描过程中，表面壳层从初始Pt-Pd合金演化为表面富Pt的双层结构，并最终形成具有优异催化活性和稳定性的Pt-Pd-Au三元合金。该三元合金催化材料经70000圈电化学扫描后仍保持稳定、优异的氧还原活性（ORR），其质量活性比经30000圈电化学扫描后的商业Pt/C催化剂高15倍。结合第一性原理模拟结果，研究人员认为，最终得到的Pt-Pd-Au的表面原子组成降低了在催化剂表面上吸附*OH自由基转变为水的自由能变化，从而提高了该类催化剂的ORR催化活性。 

　　图. Pt-Pd-Au纳米金属催化材料表面结构与电化学性能。左图为三元合金表面壳层原子在电化学过程中的演化；

中间图为催化材料的电化学性能对比；右图为模拟Pt-Pd-Au三元合金和纯Pt对ORR反应的表面吸附和自由能计算结果对比