質子交換膜燃料電池的商業(yè)化應用受限于陰極緩慢的氧還原動力學。目前，最有效提高氧還原催化活性的策略是通過過渡金屬M(M=Fe,Co,Ni,Cu等)與貴金屬Pt合金化調控，來優(yōu)化催化劑和含氧物種之間的鍵合能，進而增強氧還原催化活性。

最近研究表明，相對于表面催化劑，界面催化劑可以提供另一種有效的方式增強氧還原催化活性。然而如何設計具有新的界面增強機理的高效界面催化劑仍是一個巨大挑戰(zhàn)。由于具有高的電導和熱導率，優(yōu)異的機械強度、硬度、化學穩(wěn)定性以及耐腐蝕性，近年來過渡金屬的碳化物獲得相當大的關注。創(chuàng)建一個新的界面催化劑通過結合PtM和過渡金屬的碳化物仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

為解決這些問題，北京大學工學院郭少軍團隊設計開發(fā)了一種新型啞鈴狀的PtFe-Fe2C納米粒子。這種啞鈴狀的PtFe-Fe2C納米粒子是通過碳化啞鈴狀的PtFe-Fe3O4納米粒子獲得(圖1a)。電化學測試表明，該催化劑在酸性介質中的氧還原的比活性和質量活性分別達到了3.53mAcm2和1.50Amg1，比商業(yè)Pt/C分別高出11.8和7.1倍，且具有極為優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性，經(jīng)歷5000個循環(huán)催化劑的活性幾乎沒有衰減。

研究團隊進一步計算研究發(fā)現(xiàn)，這種獨特結構具有一種新穎的無障礙的界面電子傳輸機理，更有利于電催化反應的進行從而提高電催化活性(圖1b)。這種無障礙的界面電子傳輸機理還能擴展到其它電催化系統(tǒng)中，例如電催化析氫反應和過氧化氫電催化還原。該催化劑在酸性介質中析氫的比活性達到了28.2mAcm2，比商業(yè)Pt/C分別高出2.9倍。

基于該催化劑過氧化氫電化學傳感器的檢測限達到2nM。該工作對電催化理論研究和新型高效燃料電池電催化劑的開發(fā)具有指導意義，也為下一代高性能低成本電催化劑的結構設計提供了新思路。

圖1.a)合成示意圖;b)PtFe-Fe3O4納米粒子;c)PtFe-Fe2C納米粒子;d)DFT計算

該工作由北京大學工學院郭少軍團隊完成。郭少軍為論文的通訊作者，博士后賴建平和香港理工大學黃博龍博士為共同第一作者。該項目得到國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃和等項目支持。