骆静利院士领衔!深圳大学罗水平AM | 通过设计PdPt1单原子合金表层最大化铂对乙醇氧化的电催化活性!

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单原子合金（SAAs）结合了单原子催化剂和纳米合金的优势，成为电催化领域中一个极具吸引力的模型体系，但在原子层面设计其表面结构方面仍面临挑战。

2026年1月4日，深圳大学骆静利、罗水平在国际知名期刊Advanced Materials发表题为《Maximize the Electrocatalytic Activity of Pt Toward Ethanol Oxidation via Engineering PdPt₁ Single-Atom Alloy Skin》的研究论文，Wen Chen为论文第一作者，骆静利、罗水平为论文共同通讯作者。

在此，为充分利用活性铂位点以促进乙醇氧化电催化，作者合理设计并制备了锚定在金属间化合物Pd₅Bi₃核-超薄钯壳八面体表面的单铂原子，即具有拉伸应变的PdPt₁单原子合金表层。这种独特的PdPt₁单原子合金表层在碱性电解液中对乙醇氧化展现出创纪录的质量活性（553.58 A mg_Pt⁻¹或34.73 A mg_Pt+Pd⁻¹）和优异的耐久性，性能优于目前的高性能电催化剂。

密度泛函理论（DFT）计算表明，孤立的铂原子能有效增强乙醇的吸附，加速C₂路径，并促进*CH₂CO中间体的碳-碳键断裂。单原子合金表层的湿化学制备方法为构建可完全暴露并稳定活性原子的模型表面开辟了一条通用策略，有助于开发高效电催化剂。

铂（Pt）在电催化领域的应用历史悠久，这主要得益于其在众多电化学反应中展现出的优异性能。但在部分反应中，铂仍面临诸多难题，例如在乙醇氧化反应（EOR）中，存在催化性能受限以及易受一氧化碳（CO）中毒影响等问题。乙醇作为一种生物可再生燃料，具有低毒性、可再生性和高能量密度等优势，因此乙醇氧化反应在燃料电池领域的关注度日益提升；但该反应过程复杂、动力学速率缓慢，仍是一项颇具挑战性的研究课题。

鉴于此，开发兼具铂原子利用率高、质量活性优异、长期稳定性好以及抗中毒能力强等特点的铂基乙醇氧化反应电催化剂，具有重要的研究价值。在追求电催化表面性能最大化的设计中，构建单原子催化剂（SACs）被视为一种前沿策略，例如可通过将催化金属单原子稳定负载于载体材料表面来实现这一目标。在这类催化剂体系中，单原子的原子排布与局域环境是决定电催化性能的关键因素，但目前关于其精准调控方法及作用机制的相关研究仍较为匮乏。 

通常而言，高性能的乙醇氧化反应电催化剂需要具备表面金属原子活性位点簇，以促进脱氢、氧化以及碳-碳键断裂等多步电子转移过程的进行。因此，通过构筑结构明确的铂基多元金属纳米催化剂，利用合金化效应提升乙醇氧化反应性能，已成为一种常用策略。在多元金属合金化的研究中，一个极具吸引力且尚未被深入探索的方向，是在纳米合金体系中构建单铂位点。

单原子合金（SAAs）兼具单原子催化剂与纳米合金的优势，因此成为电催化领域的理想模型体系。近年来，随着具有长程原子有序结构且表面存在孤立金属原子的金属间化合物纳米晶合成技术的发展，结构明确的单原子合金的制备已成为可能。但由于难以精准调控单原子合金的表面结构，以充分发挥铂活性位点的作用，这类催化剂在电催化领域的应用受到了限制，相关研究也有待进一步深入。

在此，作者报道了一种PtPd₁单原子合金表层的合理设计与构筑方法：以PdBi金属间化合物发生相变形成的八面体Pd₅Bi₃金属间化合物纳米晶为基底，通过具有拉伸应变的钯壳层，将铂活性位点以原子级的方式锚定在基底表面。

所制备的PtPd₁单原子合金表层催化剂，在碱性电解液中展现出优异的乙醇氧化反应催化性能，其峰值质量活性达到34.73 A mg^-1（以铂钯总质量计），分别是脱合金化PdBi催化剂、钯碳（Pd/C）催化剂以及铂碳（Pt/C）催化剂的9.1倍、10.1倍和21.3倍。

相比之下，PdBi负载单铂原子催化剂（PdBi-Pt₁）的乙醇氧化反应活性十分有限，而PtPd₁单原子合金表层催化剂则实现了铂电催化活性的最大化，其以铂质量计的峰值质量活性高达553.58 A mg^-1，创下了相关纪录。此外，该PtPd₁单原子合金表层催化剂对反应中间产物一氧化碳具有优异的抗中毒能力，且在高电流密度下的长期计时电流测试中表现出良好的稳定性。

密度泛函理论（DFT）计算结果表明，拉伸应变与单铂原子的协同作用优化了催化剂的电子结构。这种结构调控不仅增强了乙醇分子的吸附与电子转移过程，还降低了反应能垒，加速了碳-碳键的断裂，从而显著提升了乙醇氧化反应的催化性能。

图1：(a、b) 八面体PdBi和PdBi-Pt₁纳米颗粒的透射电子显微镜（TEM）图像。(c) PdBi和PdBi-Pt₁八面体的X射线衍射（XRD）图谱，图(c)中的插图为PdBi金属间化合物的晶胞结构，其中红色和蓝色球分别代表Pd原子和Bi原子。(d、e) PdBi-Pt₁八面体的典型球差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，插图为对应的模拟图像和密排六方（hcp）PdBi的原子排布结构。(f) 对应的快速傅里叶变换（FFT）图谱。(g) PdBi-Pt₁八面体的能量色散X射线（EDX）光谱。(h) PdBi-Pt₁八面体的Pt 4f X射线光电子能谱（XPS）。(i) PdBi-Pt₁八面体中Pd、Bi、Pt元素的EDX元素分布图。标尺：5 nm。

本文通过设计一种单原子合金（SAA）皮肤，将单个铂（Pt）原子锚定在Pd₅Bi₃金属间化合物核的超薄Pd壳表面，形成张力应变的PdPt₁SAA皮肤，用于提高乙醇氧化反应（EOR）的电催化活性。

该PdPt1SAA皮肤在碱性电解质中实现了创纪录的乙醇氧化质量活性（553.58 A mg_Pt^-1）和出色的耐久性，远超当前高性能电催化剂。密度泛函理论（DFT）计算表明，孤立的Pt原子显著增强了乙醇吸附能力，加速了C₂途径，并促进了*CH₂CO中间体的C-C键断裂。

该研究为设计高性能乙醇氧化电催化剂提供了新的思路，通过原子级调控表面结构，实现了Pt原子的最大化利用，为电催化领域提供了重要的理论和实验参考。这种高性能的PdPt₁SAA皮肤有望在直接乙醇燃料电池（DEFC）中实现商业化应用，特别是在提高能量密度和降低Pt负载方面具有显著优势，为可再生能源的有效利用和清洁能源技术的发展提供了支持。

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