注：文末有研究團隊簡介及本文科研思路分析
研究背景
在過去的幾十年裡，全球範圍內化石燃料的大量使用在極大的提升了人們的生活水準同時，也帶來了日益嚴重的環境問題。低溫質子交換膜燃料電池能夠零排放的將化學能轉化成電能，是以化石能源材料為能量來源的火力發電裝置的絕佳替代物。但是，由於成本較高，系統複雜，目前僅限於一些特殊用途，極大的限制其大規模商業應用。Pt基催化劑是目前唯一實現商用化的燃料電池陰極氧還原催化劑，但是目前的商用催化劑活性和穩定性較低，制約了電池的輸出功率和充放電迴圈次數，從而增加了整個燃料電池的成本。
成果簡介
近日，鮑駿和曾傑教授課題組報道了透過氧化刻蝕的方法得到Pd-Pt超立方體奈米晶，並應用於電化學氧還原反應中，表現了優異的活性和穩定性效能。
該研究工作中，透過調節初始立方體中兩種元素的比例，得到三種兼具高比表面和高高活性位點佔比的Pd-Pt空心框架結構，即超立方體、八足體和立方框架結構（圖1）。超立方體奈米晶由外部立方體框架、中心立方體以及連線立方體框架和中心立方體的體對角線三部分組成。
圖2a所示氧還原效能測試表明，在0.9 V時，Pd1.2Pt立方框架、Pd1.8Pt超立方體、Pd2.2Pt八足體的質量活性為0.66、1.86、1.32 A mg-1Pt，分別是Pt/C催化劑的4.1、11.6、8.3倍（商用Pt/C為0.16 A mg-1Pt）。於此同時，Pd1.8Pt超立方體也表現出最高的面積比活性（2.09 mA cm-2， 圖2b），分別是立方框架、八足體和商用Pt/C的2.8倍、1.2倍和8.4倍。此外，Pd1.8Pt超立方體也表現出優異的穩定性。在經過10000圈穩定性迴圈測試後，Pd1.8Pt超立方體的質量活性和麵積活性分別下降了7.4 %和2.4 %（圖2c）。而在相同條件下，Pt/C催化劑的質量活性下降了31.3 %，面積活性下降了12.8 %（圖2d）。
Pd1.8Pt超立方暴露的晶面主要是Pd2Pt(111)和Pd2Pt(100)表面，而Pd2.2Pt八足體和Pd1.2Pt立方框架對應的分別為Pd2Pt(111)表面和PdPt(100)表面。密度泛函理論（DFT）計算Pd2Pt(100)表面的氧吸附能最接近於理論最優值（0.2 eV），其次是Pd2Pt(111)表面、PdPt(100)表面和Pt(111)表面，這一趨勢與實際測試的幾種催化劑的氧還原活性順序相一致（圖3）。
文獻詳情：
Pd–Pt Tesseracts for the Oxygen Reduction Reaction
Sheng Chen, Jiankang Zhao, Hongyang Su, Hongliang Li, Huili Wang, Zhenpeng Hu, Jun Bao*, Jie Zeng*
J. Am. Chem. Soc.,2021,143, 496-503, DOI: 10.1021/jacs.0c12282
曾傑教授簡介
曾傑，1980年9月出生於河南省商城縣，現任中國科學技術大學教授、博士生導師，國家傑出青年科學基金入選者，國家“萬人計劃”科技創新領軍人才，國家重大科學研究計劃青年專項首席科學家，獲中國青年科技獎特別獎、第十屆“侯德榜化工科學技術青年獎”、中國化學會-贏創化學創新獎-傑出青年科學家獎、安徽省自然科學一等獎、中科院優秀導師獎、安徽省青年五四獎章、中國新銳科技人物等獎項。
曾傑教授主要研究領域為碳一催化，旨在實現高效轉化碳基小分子（如CO、CO2和CH4）製備液體燃料和高附加值化工品。近年來已在Nature Nanotechnol.(2篇)，Nature Energy(1篇)，Chem(1篇)，Nature Commun.(8篇)，Chem. Rev.(2篇)，JACS(12篇)，Angew. Chem. Int. Ed.(18篇)，Nano Lett.(19篇)，Adv. Mater.(9篇)等高影響力學術期刊發表了162篇論文，總被引用12000餘次。38篇論文單篇被引過百次，H因子為60。出版書籍三部，申請中國專利41項、美國專利4項。部分研究成果被Nature Mater. 雜誌、Angew. Chem. Int. Ed. 雜誌、C&EN News、Materials Views等國際科學媒體廣泛報道，並多次被CCTV、《人民日報》、《人民日報（海外版）》、《光明日報》、《科技日報》等多家國內主流媒體關注。
課題組擁有一流的工作平臺，開放活躍的學術氛圍和豐富的國內外交流合作機會。現有平臺和儀器包括原位DRIFTS、TPD-MS、BET、電化學測試一體化測試平臺、UV、Plasma等多種催化劑表徵和測試儀器。此外課題組和上海光源、合肥光源具有高度密切的合作關係，並以此搭建了各類原位測試平臺。
https://www.x-mol.com/university/faculty/73363
科研思路分析
Q：這項研究想法是怎麼產生的？
A：中空框架結構奈米晶在各種催化中展現出了許多優異的表現，一直我們課題組研究的方向之一。偶然間在網上看到一個從零維點到一維線、二維面、三維立方體、四維超立方體轉變的動圖引起了我的興趣，隨後就去維基百科搜尋一些關於超立方體相關的資訊，該結構是一種特殊的框架結構。意思到這可能是一種新型結構的奈米催化劑，在後面查詢文獻並沒有關於該結構的相關報道。於是決定去嘗試可控合成得到超立方體結構的奈米晶。
Q：研究過程中遇到哪些挑戰？
A：受動圖中立方體向超立方體結構轉變的影響，我們決定採用刻蝕的方法去得到超立方結構。首先，在立方體中不可能存在一個超立方體的骨架，所以透過尋找元素分離相超立方體模版的方法就行不通了。隨後我們想到可以透過兩種擴散速率不同的金屬在擴散過程中會形成缺陷形成空腔來構築中空奈米晶（柯肯達爾效應）。其次，就是考慮選用哪兩種元素的雙金屬奈米晶，兩者的穩定性得有較大的差異。根據文獻報道的雙金屬奈米晶立方體和我們掌握的合成技術，決定元素隨機分佈的Pd-Pt立方體出發。再次，是選擇合適的刻蝕劑，為了不引入雜誌離子，最終選定氧氣作為刻蝕劑。最後，是嘗試得到最佳的刻蝕條件（溫度、氣氛、時間等）和不同比例的Pd-Pt立方體進行刻蝕，最終可控合成了三種具有典型結構特徵的中空框架結構奈米晶，其中就包括Pd-Pt超立方體結構。
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