如氢燃料电池、SPE电解水等器件所涉及的电化学反应（ORR、HOR、OER、HER）均存在动力学迟缓的问题，目前仍需大量Pt、Ir等贵金属作为催化剂来加速反应的进行。因此，设计合成新型高效的低成本、长寿命电催化剂对于新能源的发展和利用具有重要的科学研究价值和现实意义。当前，相关催化剂存在成本较高、活性/稳定性不足等一系列问题，对此，本课题组从原子水平上精确调控催化剂结构，以开发高性能纳米催化剂，主要研究内容包括：
（1）基于晶相工程调控的新型催化剂设计
催化剂的晶相结构、原子排布与其催化活性和结构稳定性密切相关，其结构将影响表面Pt原子d能带态密度曲线及d带重心，进而改变Pt与含氧中间体的结合能并影响催化活性；同时，催化剂的原子堆积方式将极大影响其在苛刻环境下的耐腐蚀能力。通过新颖、合理的合成方法以及处理方式，来实现纳米催化剂的相结构调控，提升催化剂的新能源器件中的活性稳定性，并深入理解其中的构效关系，是本课题组研究的重点方向之一。例如：通过构筑氧空位的方式，将传统无序A1-PtM合金催化剂转化为新型有序L10-PtM催化剂，如制备的完全有序L10-PtFe纳米晶，在经过20000圈循环后，其电化学性能、催化剂组成未发生明显的变化；在超细有序L10-PtFe纳米晶中引入Cr元素，有效地充当电子缓冲剂并通过降低价态和削弱拉伸应变来抑制 Pt 壳层的表面极化，从而稳定催化剂结构并防止 Pt/Fe 溶解，在 H 2 -空气中运行的 PEMFC 中，L10 -Cr-PtFe/C 阴极表现出极高的初始质量活度 (MA)，分别为 1.41 和 1.02 A mg Pt –1（在 0.90 V 时），寿命初期 (BOL) 额定功率分别为 14.0 和 9.2 W mg Pt –1，其中总阴极 Pt 负载分别为 0.075 和 0.125 mg Pt cm –2（阳极负载为 0.025 mg Pt cm –2），在 0.8 A cm –2下经过 60,000 次 ADT 循环后电位损失仅为 20 mV ，超过了美国能源部 2025 年的技术目标；通过低熔点元素（Ga、Sn、In）诱导的键强弱化策略，有效降低了无序到有序结构的相转变温度（<500℃），从而制备高Pt含量（≥40wt%） L10-Pt-M-M′ 金属间化合物纳米晶，并且在实验室实现了10克规模的生产，有望实现超细有序纳米晶的宏量制备，基于该策略所制备的高载量有序L10-Pt50Ni35Ga15催化剂在重卡燃料电池测试中表现出优异的活性以及稳定性，其初始0.7 V 电流密度达到1.68 A cm-2，相较于商业Pt/C以及PtNi/C分别提高50%以及28%，同时在经历90000圈循环后，0.7 V电流仍保持1.33A cm-2，其活性和保持率均超过科技部十四五催化专项和美国能源部指标，同时也是目前工况下稳定性最高的重卡燃料电池催化剂。代表作：Nat. Mater. 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01901-4; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 3; Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803771; Joule 2019, 3, 956-991; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7071; Nano Lett. 2015, 15, 2468。
（a）有序L10-PtM与无序A1-PtM的结构示意图；（b）有序程度与L10-PtM的催化稳定性、组成稳定性关系；（c）40% L10PtNiGa/C催化剂燃料电池性能及稳定性测试；（d）自制L10-PtMM’催化剂燃料电池性能及对比；（e）低熔点元素诱导相转变机制示意图。
（2）基于物理化学参数调控的新型催化剂设计
催化剂自身的热/动力学物理化学参数如应变、内聚能、表面能对其催化活性以及循环稳定性具有至关重要的影响。本课题组关注各个元素以及合金体系的物理化学参数，从热力学（结构形成能、表面能等）和动力学（空位形成能、相变活化能等）多角度进行调控，以优化催化剂的半电池以及器件电化学性能。；通过调控催化剂结合常数/作用力的方式，提升非贵金属M-N-C催化剂的结合能/内聚能，有效抑制催化反应过程活性中心的的溶解与团聚，实现催化剂在半电池以及PEMFC中的长效稳定性，如强结合常数的P(AA-MA)–Fe–N催化剂在PEMFC稳定性测试中，前37小时电流保持率达到100%，稳定性属于当时文献报道非贵金属催化剂的最优水平；通过调控金属与载体之间的粘附能及迁移势垒，阻碍金属颗粒的迁移团聚及溶解带来的活性损失，实现催化剂的宽电位窗口稳定性提升。代表作：Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 15471; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000179; Adv. Mater. 2021, 33, 2006613; Adv. Mater. 2022, 34, 2200595; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202400751。
（a）Fe与丙烯酸均聚或（丙烯酸-马来酸）共聚体系的结合常数对比；（b）强结合常数P(AA-MA)–Fe–N催化剂的燃料电池性能与文献对比图；（c）M-N-C结构示意图；（d）负载型金属催化剂示意图
（3）催化剂的宏量制备技术
催化剂的商业化应用不仅需要合理的结构设计以提升其活性和稳定性，同时还需要发展技术路线来实现催化剂的大规模制备。因此，本课题组的另一重要研究方向是开发高效、绿色的合成技术路线，推动催化剂的宏量制备，搭建实验室制备与工业化生产之间的桥梁。例如：通过引入低熔点元素，调控纳米晶相变活化能，显著降低纳米晶的相变温度（小于500 °C），为超细有序纳米晶的宏量制备奠定基础；发展绿色环保的非有机系合成方式，实现铂碳、钯碳催化剂的公斤级制备。代表作：Nat. Mater. 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01901-4; Adv. Mater. 2022, 34(52), 2200595; ACS Nano 2020, 14, 10115; Chinese J. Catal. 2020, 41, 847.
催化剂的宏量制备设计以及中试产线图
