提高鉑的利用效率是質子交換膜燃料電池(PEMFCs)發展和廣泛應用的關鍵。這項任務的核心是為陰極氧還原反應(ORR)創造高活性和耐用的Pt基催化劑，這需要對這些催化劑在反應條件下的ORR過程有全面的了解。經過研究人員的努力，已經積累了大量關于擴展Pt和Pt合金模型表面的ORR認識。盡管已將這些認識應用于理解和設計ORR催化劑，但也已經認識到這些理解不能總是能用于納米尺度催化劑的設計體系中。
有鑒于此，加州大學洛杉磯分校黃昱教授、段鑲鋒教授等人回顧了理論描述符的進展，強調了推進表征和理論研究，以理解更復雜的Pt合金納米催化劑中的ORR。特別是要了解鉑合金納米催化劑在ORR過程中的結構-組成-性能之間的動態關系，需要在精準合成，先進的原子尺度原位表征和計算模型等方面做出共同努力。理解催化劑表面與電催化之間的結構-功能關系是合理設計更具活性和耐久性的電催化劑的關鍵。在單晶表面上獲得的知識已被廣泛用于解釋在ORR納米催化劑上實驗觀察到的活性。然而，這樣做存在局限性，其中已對理論預測變量進行了修改以調和理論與實驗之間的偏差。作為結構描述符的平均CN可以很好地預測低折射率擴展Pt表面上的ORR活性，而為了更好地描述階梯形和納米級Pt表面上的ORR，則需要采用捕獲單個位點局部環境的CN。在鉑合金系統中，由于增加了化學成分及其原子順序，在描述ORR活性時引入了更多的自由度，因此簡單描述符無法滿足要求。為此，已嘗試開發二元描述符以允許包括合金系統中所見的結構（如應變）和電子（如配體）效應，但是仍然需要實驗驗證。與擴展的單晶表面相比，納米級表面在能量上依賴于催化劑的大小，非均質性和動態性強，因此解釋所觀察到的活性并識別這些表面上的活性位點極具挑戰性。更重要的是，越來越多的證據表明，Pt合金催化劑中近表面結構/組成的原子細節及其在電化學反應過程中的動態演變在Pt合金催化劑的活性和穩定性中都起著重要作用。開發新的鉑合金ORR催化劑性能描述符是極其重要的，這需要在實驗和理論模型上進行大量的努力和改進。雖然關于性能優異的鉑合金ORR催化劑已有大量的發現，但系統的研究和對催化ORR機理的深入了解還有很多不足之處。復雜的相互作用因素，包括應變，配體效應和表面拓撲，在確定實際的活性位點和為合金體系確定合適的描述符方面帶來了挑戰。另外，需要具有高時空分辨率的原位表征技術，該技術可以捕獲實際作用中的催化劑表面的原子細節，以闡明耐用的ORR催化劑的設計原理。只有通過集成精準的合成，先進的原位表征和現實的計算模型，才能期望完全理解反應條件下的催化劑行為，基于已理解的結構-功能關系發現可靠的描述符，并合理設計滿足需求的高活性和持久性納米催化劑。總之，燃料電池ORR納米催化劑的發展已經到了攻堅階段，無論是合成、表征還是計算模擬，都己經到了相對成熟的階段。如何進一步綜合提升性能，實現工業化，應該是很長一段時間內的主要挑戰之一。Zeyan Liu et al. Beyond Extended Surfaces: Understanding the Oxygen Reduction Reaction on Nanocatalysts. J. Am. Chem. Soc., 2020.
DOI: 10.1021/jacs.0c07696https://doi.org/10.1021/jacs.0c07696
