质子交换膜燃料电池（proton-exchange membrane fuel cells, PEMFCs）大规模应用的一个关键性技术障碍是开发高活性和耐用的铂（Pt）基催化剂，以加速缓慢的氧还原反应（ORR）动力学。虽然氧结合能∆EO经常被用作预测活性的理论描述符，但是没有已知的预测耐久性的描述符。基于此，美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授、美国东北大学Qingying Jia、意大利国家研究委员会Alessandro Fortunelli和美国加州理工学院William A. Goddard III（共同通讯作者）等人报道了一个二元实验描述符（binary experimental descriptor, BED），该描述符基于扩展X射线吸收精细结构（XANES）中的平均Pt-Pt键长计算的应变和不对称性Pt合金的Pt L3 X射线吸收近边缘结构（XANES）光谱中的因子（asymmetry factor, AF），并将二元实验描述符与计算的催化剂表面能∆EO直接关联起来。研究表明，BED可用于准确反映计算出的Pt合金催化剂表面的氧结合能∆EO，从而建立了可用于综合预测活性和稳定性的实验Sabatier图Pt合金ORR催化剂。此外，基于已建立的Sabatier图，作者展示了PtNiCo催化剂的设计，在0.9 V vs. RHE时该催化剂同时提供10.7±1.4 mA cm-2的比活性（SA）、质量活性（MA）为7.1±1.0 A mgPt-1和异常高的稳定性。在经过20000次加速降解测试（ADT）循环后，电化学活性表面积（ECSA）仅损失8%和MA损失了12%，填补了设计用于ORR催化剂的空白。
具体而言，sd-Pt84Ni12Co4在0.9 V vs. RHE时显示出的SA为10.7±1.4 mA cm-2和MA为7.1±1.0 A mgPt-1，分别是Pt/C的28.9倍和28.4倍。此外，sd-Pt84Ni12Co4表现出出色的稳定性，在20000次ADT循环后仅损失8%的ECSA、5%的SA和12%的MA，优于sd-Pt85Ni15的值，而sd-Pt84Ni12Co4的组成和凹形形态基本保持不变。
图3. 具有高活性和稳定性的sd-PtNiCo催化剂
文献信息
Experimental Sabatier plot for predictive design of active and stable Pt-alloy oxygen reduction reaction catalysts. Nature Catalysis, 2022, DOI: 10.1038/s41929-022-00797-0.
