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图 （A）硫锚定法示意图；（B）金属间纳米颗粒催化剂材料库；（C）0.9 V 电压下，13种i-NPs/Pt催化剂的氧还原反应活性与催化剂Pt表面压缩应变之间的关系；（D）低负载PtCo i-NPs催化剂的氢空燃料电池性能
在国家自然科学基金项目（批准号：22071225）等的资助下，中国科学技术大学梁海伟教授课题组与该校林岳博士，以及北京航空航天大学水江澜教授课题组等合作，在铂基金属间化合物燃料电池纳米催化剂的研究方面取得进展。研究结果以“硫锚定合成铂基金属间化合物燃料电池纳米催化剂（Sulfur-anchoring synthesis of platinum intermetallic nanoparticle catalysts for fuel cells）”为题，于2021年10月22日在线发表在《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9980。
金属间化合物（Intermetallics，IMCs，又称原子有序合金）具有规整的表面或近表面原子有序排列结构和独特的电子特性，在众多化学反应中表现出优异的催化性能并因此受到广泛关注。特别是在质子交换膜燃料电池领域中，Pt基IMCs有望成为新一代低Pt阴极氧还原反应催化剂并大幅降低燃料电池核心部件膜电极的成本。虽然在热力学上，IMCs有序结构相对于传统无序结构固溶体是稳定相，但无序到有序相变的实现往往需要高温热处理来克服固相中原子有序化重排的动力学能垒。但高温热处理不可避免会造成金属颗粒烧结和活性金属表面积降低，并最终导致Pt利用率的下降，故有必要发展小尺寸Pt基IMCs催化剂的合成方法。然而，近年来尚未见系统合成尺寸小于5 nm金属间化合物纳米粒子（i-NPs）的报道。
针对上述科学难题，合作研究团队基于软硬酸碱理论，利用硫对贵金属Pt等元素的强键合作用，发展了一种高温硫锚定合成方法（图A），解决了原子有序合金燃料电池纳米催化剂在高温下金属烧结和活性表面积降低的合成难题，实现了该类催化剂的系统合成与制备，构建出由46种小尺寸（平均尺寸小于5 nm）、高度有序（有序度普遍大于50%）的铂基二元和多元原子有序合金催化剂组成的材料库（图B）。基于该材料库，研究人员发现了i-NPs/Pt催化氧还原反应的活性与其压缩应变之间的单调正相关性（图C）。氢氧燃料电池测试表明，PtNi纳米催化剂展现出超高质量活性（0.9 V电压下达1.84 A/mgPt）；在氢空燃料电池测试中，具有超低Pt负载量（0.02 mgPt/cm2）的PtCo阴极达到了1.08 W/cm2的峰值功率密度（图D）。