眾所周知，Pt基電催化劑是目前ORR性能最好的電催化劑，但是其儲量較少，價格昂貴，導致其在燃料電池領域的大規模應用受阻。
據估計，目前燃料電池中每提供1 kW的能量需要0.25 g Pt催化劑，即便將現有所有Pt用于燃料電池汽車，也只能供應全球10%汽車，不到1000萬輛汽車的運行。因此，減少Pt的負載量并提高ORR性能，是燃料電池可持續發展，清潔能源取代化石能源的必經之路。
Pt和含氧的中間產物結合力太強，為了減少Pt的用量，并進一步提升其ORR性能，通常的策略是：結合Ni、Co、Fe等廉價的金屬，制備合金催化劑或者核殼結構催化劑，增加表面活性位的暴露和殼層的壓縮應力，適當的壓縮應力可以減弱Pt-O鍵強度，也就是減弱對含氧中間產物的吸附，實現ORR活性的提高。
圖1. 各種ORR電催化劑
圖2. 鑭系元素調控Pt合金納米催化劑應力，增強ORR活性
María Escudero-Escribano, Ifan E. L. Stephens*, Ib Chorkendorff,* et al. Tuning the activity of Pt alloy electrocatalysts by means of the lanthanide contraction. Science, 2016, 352, 73-76.
圖3. 過渡金屬碳化物納米顆粒表面組裝單層Pt或者PtRu核殼結構電催化劑
Sean T. Hunt, Yuriy Román-Leshkov et al. Self-assembly of noble metal monolayers on transition metal carbide nanoparticle catalysts. Science, 2016, 352, 974-978.
有鑒于此，蘇州大學黃小青教授、北京大學郭少軍教授以及布魯克哈文國家實驗室蘇東等團隊合作報道了一種PtPb@Pt核殼結構納米片電催化劑，具有穩定而高效的ORR性能。
圖4. PtPb@Pt納米片表征
圖5. PtPb@Pt納米片電催化性能
Pt殼層穩定的(110)面ORR比活性和質量活性分別高達7.8 mA cm-2和4.3 A gpt-1（0.9 V，RHE）。間金屬結構的內核和均勻的四層Pt殼層使得催化劑穩定性也很好，經受50000次循環，活性沒有發生明顯衰退，催化劑結構和組成也基本不發生變化。
這種高活性和以往的經驗似乎有些矛盾。因為，Pb原子比Pt原子大，理論上應該是會產生拉伸應力，增強Pt-O鍵強度，從而減弱ORR性能。那么，為什么這種核殼結構催化劑具有如此優異的性能呢？
圖6. PtPb@Pt納米片結構分析
圖7. O吸附能的DFT計算
TEM和DFT計算表明，核殼催化劑內核Pt-CPb納米片在一些方向上表現出拉伸應力，而在另外一些方向上表現出壓縮應力。因此，一些表面位點處于適當的壓縮狀態，并對ORR起主要作用。
這類化劑對于燃料電池中的甲醇氧化和乙醇氧化反應同樣具有優異的活性和穩定性。MOR質量活性為1.5 A mgpt-1，EOR比活性和質量活性分別為2.5 mA cm-2和1.4 A mgpt-1。
總之，這一研究從理論上指導了如何通過應力調控Pt-O鍵強度，有效解決了模型催化中電化學界面的瓶頸問題。對于開發更好的催化劑，進一步減少Pt的用量，提高ORR性能，促進燃料電池快速發展起到重要推動作用。
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