有序金屬間化合物催化劑動態自優化機制獲揭示

　　近日，中國科學院廣州能源研究所研究員王晨光、副研究員羅密團隊成功構建了一種具有動態自優化特征的L10-PtCo@Co-shell核殼催化劑。該催化劑通過有序L10-PtCo金屬間化合物核與超薄Co富集殼層的協同設計，實現了工作過程中可控的結構演化。相關成果發表于《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。

　　Operando-XAFS測試示意圖。研究團隊供圖

　　論文第一作者羅密介紹，研究團隊采用操作態X射線吸收精細結構譜（operando XAFS）、原位拉曼光譜及密度泛函理論（DFT）計算，從原子尺度揭示了工作條件下Co原子的遷移、表面合金化及活性位點演變規律，闡明了“穩定有序核—動態重構表面”的協同作用機制。

　　質子交換膜水電解因高效率和高電流密度優勢備受關注，但其酸性運行環境對催化劑的活性和結構穩定性提出嚴苛要求。傳統催化劑設計多聚焦于維持靜態穩定結構，然而實際工況下，元素遷移、原子重排和表面重構難以避免。這些動態變化既可能引發結構失活，也可能催生更有利的工作態結構。因此，捕捉催化劑在真實工作條件下的動態演化并建立其與性能的關聯，成為電催化領域的關鍵科學問題。

　　針對上述挑戰，研究團隊在國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目資助下，提出“動態預催化劑”設計理念。他們構建了以有序L10-PtCo為核、Co富集層為殼的核殼結構，使穩定核與動態表面實現功能分工，在工作條件下發生可控重構。依托上海光源BL20U1線站，團隊實時追蹤了催化劑局域結構的變化。結果表明，隨著工作電位的施加，Co-Pt配位數逐漸上升，而Co-Co配位數持續下降，表明表面Co原子逐步向顆粒內部遷移并與Pt形成更充分的異原子配位，表面由初始的Co富集狀態演變為高度合金化的PtCo結構。結合原位拉曼光譜和DFT計算，進一步證實動態重構形成的Pt-Co鄰位結構能夠優化氫中間體的吸附行為，并促進反應動力學。

　　與此同時，理論計算顯示L10-PtCo核具有較高的Co原子擴散能壘，可有效抑制Co的無序遷移和溶出，從而維持核結構的長程有序性。由此，催化劑在工作狀態下形成了“動態重構表面-穩定有序核”的協同構型。

　　該研究表明，催化劑工作過程中的結構重構并不必然導致失活。通過合理設計初始非平衡結構，可將原本不可控的原子遷移轉化為有方向、可利用的動態自優化過程，使催化劑從初始預催化形態逐步演化為更穩定、更高效的工作態結構。

　　該研究將催化劑設計理念從傳統的“靜態結構優化”拓展至工作條件下的“動態結構優化”，為深入理解真實反應環境中催化劑的結構演化與催化機制，以及指導高活性、高穩定性催化材料的理性設計提供了新思路。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.77600