马天翼团队Adv. Energy Mater.综述: 有序间金属催化剂助力小分子燃料高效氧化

研究背景

小分子燃料（氢、甲酸、甲醇、乙醇）作为清洁、高效的能源载体，广泛应用于燃料电池、电化学能源转化等领域。特别是质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）和乙醇燃料电池（DEFC）中，小分子燃料氧化反应（Small-Molecule Fuel Oxidation, SMFO）是核心阳极反应过程，其催化性能直接决定整体能源转换效率。

◆氢气氧化反应（HOR）是氢燃料电池阳极的关键反应，理想条件下动力学速率快，但在碱性介质中，由于氢气分子活化难度大、反应中间体稳定性差，常规Pt/C催化剂表现出严重的活性下降；

◆甲酸氧化反应（FAOR）是DMFC的阳极反应，理论上具有低毒化倾向，但实际过程中CO副产物易在催化剂表面累积，导致活性丧失，且贵金属资源消耗大；

◆甲醇氧化反应（MOR）和乙醇氧化反应（EOR）面临中间体吸附强、反应路径复杂、选择性低、完全氧化难度大等问题，严重制约电池能量输出与效率；

同时，传统催化剂以贵金属（Pt、Pd等）为主，面临以下瓶颈：

◆催化位点分布无序，缺乏结构-功能协同；

◆d带结构不可控，电子性能调节受限；

◆稳定性差，耐久性不足，易团聚、烧结；

◆贵金属用量高，成本难以大幅降低；

在此背景下，有序间金属化合物（IMCs）凭借：

◆精确有序的原子排列结构；

◆优异的电子调控与表面能优化能力；

◆强耐中毒性与稳定性；

◆成分灵活设计与多金属协同效应；

成为小分子燃料氧化领域突破性能瓶颈、降低贵金属依赖、实现高效、可持续催化的理想解决方案。

本工作系统总结了近年有序间金属催化剂在小分子燃料氧化中的发展趋势、关键机理与典型成果，旨在为下一代高性能、低成本能源催化体系提供理论基础与技术参考。

工作概述

针对小分子燃料氧化反应中催化剂活性低、抗中毒能力差、结构不稳定以及贵金属消耗高等长期存在的技术瓶颈，墨尔本皇家理工大学原子材料与纳米制造中心（CAN）李晓宁博士、李鹏博士、马天翼教授团队，围绕有序间金属催化剂（Ordered Intermetallic Compounds, IMCs）在小分子燃料氧化中的应用与发展，开展了系统性综述研究。

题为：“Intermetallic Electrocatalysts for Small‐Molecule Fuel Oxidation”

DOI: 10.1002/aenm.202500415

文章围绕以下核心内容展开：

通过系统归纳，厘清了有序间金属催化剂在氢氧化（HOR）、甲酸氧化（FAOR）、甲醇氧化（MOR）与乙醇氧化（EOR）四大典型小分子燃料氧化反应中的性能优势与结构设计原则；

梳理了不同体系（如Pt基、Pd基、非贵金属基）的有序间金属催化剂在结构调控、电子性质优化、界面工程、抗中毒能力增强等方面的最新研究进展与代表性成果；

深入剖析了有序间金属独特的结构优势，包括：

◆高度有序原子排列带来的稳定性提升；

◆多金属协同效应改善电子结构与催化活性；

◆d带中心位置调控实现对反应中间体吸附强度的精准控制；

◆结构清晰可控，便于高效活性位点的构建与分布优化；

重点探讨了有序间金属催化剂在实际应用中面临的挑战，包括：

◆大规模、低成本合成工艺难度；

◆催化剂在复杂工况下的稳定性与耐久性；

◆结构-性能调控的精准设计需求；

◆低贵金属或非贵金属替代方案的开发瓶颈；

最后，结合当前技术瓶颈与未来需求，提出了有序间金属催化剂发展的关键方向与策略：

◆构建多元复合、界面优化的有序结构；

◆发展低贵金属或非贵金属高性能有序催化剂；

◆探索新型合成方法，实现微观结构可控；

◆深度结合理论模拟与原位表征，揭示催化机制；

◆推动有序间金属催化剂在燃料电池、便携能源、分布式能源等领域的实际应用。

通过该综述，团队系统性总结了有序间金属催化剂在小分子燃料氧化领域的研究现状与未来发展方向，为设计高活性、高稳定性、低成本的新一代催化剂提供了理论依据与技术参考。

技术路线与关键成果

本工作围绕小分子燃料氧化反应的催化挑战，系统总结了有序间金属化合物（IMCs）在不同反应体系中的最新研究进展、结构设计理念、催化性能优势及发展趋势。

首先，文章从原理层面深入剖析了有序间金属催化剂的结构特征与功能优势：

有序间金属化合物具备高度有序的原子排列、明确的化学计量比以及可控的多金属协同作用。相比传统随机合金结构，IMCs在催化过程中表现出更强的结构稳定性、更优的电子结构调控能力和更高的抗中毒能力，成为提升小分子燃料氧化效率的关键。

针对具体反应体系，文章梳理了如下代表性技术路线与重要成果：

在氢氧化反应（HOR）方面，有序Pt-Sb@Pt催化剂通过调控晶体结构与表面电子环境，实现了碱性介质中1.6倍于传统Pt/C催化剂的交换电流密度，显著降低了贵金属用量。PtPdFe、O-PdFe@Pt等催化剂通过稳定界面结构，提升了催化活性与长期稳定性，突破了碱性HOR中活性瓶颈。

在甲酸氧化反应（FAOR）领域，PtBi合金催化剂通过Bi的引入有效抑制了CO中毒现象，催化剂质量活性相比商用Pt/C提升30至60倍。PdBi、PdFe、PdCu等体系通过优化有序结构，进一步提升了耐久性与催化稳定性，展现出优异的小分子燃料电池应用潜力。

在甲醇氧化反应（MOR）研究中，PtSn、PtSnBi催化剂通过调控多金属协同作用，有效降低了反应路径中的中间体吸附能，提升了催化速率与稳定性。PtCuGa、Pt3Fe有序催化剂则通过电子结构设计，优化了d带中心位置，增强了催化剂的反应选择性与活性。

在乙醇氧化反应（EOR）方面，PdCu3有序催化剂打破了乙醇完全氧化的路径限制，显著降低了副产物生成，提高了能源利用效率。PtRu有序结构催化剂通过多金属协同效应，进一步提升了乙醇氧化的催化效率与反应选择性，推动了高性能乙醇燃料电池的发展。

文章还系统总结了有序间金属催化剂在以下方面的整体优势：

有序结构有效降低了表面能，提升了结构稳定性与抗团聚能力；

d带电子结构的精准调控，优化了反应中间体的吸附与脱附过程，提升了催化活性；

多金属协同作用改善了载流子迁移路径，增强了整体电催化性能；

界面工程与纳米结构设计进一步拓宽了有序间金属催化剂在实际应用中的性能空间。

此外，作者强调了当前有序间金属催化剂在实际推广过程中仍面临的挑战，如大规模合成工艺的可控性、非贵金属替代方案的开发难度、复杂反应环境下的稳定性保持问题，亟需未来研究深入探索与系统攻关。

总结与展望

本综述系统总结了有序间金属化合物（IMCs）在小分子燃料氧化反应（包括HOR、FAOR、MOR、EOR）中的结构设计理念、催化性能提升策略与代表性研究进展，揭示了IMCs通过有序结构实现催化性能全面优化的内在机制，明确了该类催化剂在推动燃料电池、绿色能源转换等领域发展中的重要作用。

具体而言，有序间金属催化剂凭借高度有序的原子排列、可控的电子结构调控能力以及优异的多金属协同效应，在以下方面展现出显著优势：

第一，结构稳定性方面，有序结构大幅度降低了催化剂的表面能，抑制了纳米颗粒在高温、高电流密度等极端工况下的团聚、溶解与烧结现象，显著延长了催化剂的工作寿命与循环稳定性。

第二，催化活性方面，有序间金属通过精准调控d带中心位置，优化了反应中间体（如H、CO、OH、甲酸根、甲醇、乙醇衍生物等）的吸附与脱附行为，打破了传统合金材料催化性能的局限性，显著提高了小分子燃料氧化反应的整体动力学效率。

第三，耐中毒能力方面，部分有序间金属（如PtBi、PdBi、PtSn、PdFe等）通过引入活性辅助元素，降低了反应副产物（如CO、HCOOH等）在催化剂表面的累积，改善了中毒现象，提升了催化剂的抗干扰能力与长期稳定性。

第四，组成设计与多元调控方面，有序间金属催化剂通过合理选择主、辅助金属元素（如Pt、Pd、Sn、Bi、Sb、Cu、Fe、Ga、Ru等），结合多元协同作用与界面工程，构建了高性能、高稳定性的催化体系，推动了燃料氧化催化剂从传统单一合金向复杂多金属有序结构的跨越发展。

然而，尽管有序间金属催化剂在小分子燃料氧化领域展现出巨大应用潜力，当前仍面临以下关键挑战：

其一，合成工艺亟需突破。现有IMCs的制备多依赖高温熔融、退火或复杂的前驱体调控，工艺流程复杂、成本较高、产品结构一致性与规模化制备难以兼顾，限制了实际工程应用。

其二，低贵金属含量与非贵金属有序结构的开发仍处于探索阶段。尽管部分低贵金属含量的Pt基、Pd基IMCs已展现良好性能，但完全摒弃贵金属、实现高活性、高稳定性的纯非贵金属有序催化剂仍面临巨大挑战，特别是在严苛工况下的稳定性与耐久性保障难度大。

其三，机理研究深度不够。当前对有序结构对电子行为、界面效应、催化过程影响的理解仍局限于部分定性分析，缺乏系统的理论计算、原位表征与结构-性能关联研究，制约了催化剂的精准设计与高效开发。

其四，催化剂实际应用适应性仍需优化。现阶段多数IMCs研究集中在实验室级别的小尺寸电极与半电池体系，缺少大面积、实际燃料电池器件中的性能测试与长期可靠性验证，影响了产业化进程。

展望未来，发展高性能有序间金属催化剂在小分子燃料氧化领域的应用需重点聚焦以下方向：

第一，创新低成本、绿色环保、可规模化的合成策略，如溶液法、自组装法、模板辅助法等，推动IMCs大批量、高质量、结构可控制备工艺的突破。

第二，构建低贵金属或无贵金属多元复合有序结构，借助多金属协同效应与界面工程，设计高活性、强稳定性的催化剂体系，降低催化剂综合成本，提升经济竞争力。

第三，结合先进理论计算与原位多尺度表征技术，深入揭示有序结构调控电子行为、表面反应机理及结构稳定性的本质，推动催化剂结构-性能关系的理性设计。

第四，面向实际能源器件需求，系统评估IMCs在燃料电池、便携能源、分布式能源装置中的应用性能与可靠性，推动从实验室研究向产业化应用的有效转化。

第五，拓展IMCs在其他能源转换与环境催化领域的应用，如CO2还原、氮氧化还原、氨合成、氧还原反应（ORR）等，推动其在更广泛的清洁能源技术体系中的协同发展。

本综述为小分子燃料氧化高效催化剂的结构设计与性能优化提供了理论依据与前沿参考，推动有序间金属催化剂在清洁能源转化中的深入应用，助力构建高效、稳定、低成本的下一代能源转换技术体系。

团队介绍

马天翼，是皇家墨尔本理工大学（RMIT）教授兼碳中和小组负责人。他于2013年获得南开大学物理化学博士学位。他已发表400多篇论文，被引用超过4万次，H指数为95。他的研究重点是用于能量收集、储存和碳捕获的光催化、电催化、热催化和压电催化材料。他是澳大利亚研究理事会未来研究员、英国皇家化学学会院士和科睿唯安高被引研究员。他的开创性工作使他跻身可再生能源和先进储能技术领域的全球领军人物之列。

团队依托原子材料与纳米制造中心（CAN），聚焦能源催化、清洁能源技术，相关成果发表于Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem., Energy Environ. Sci.等国际知名期刊。

参考文献

Qi Mai, Xiaoning Li*, Peng Li*, Tianyi Ma*, "Intermetallic Electrocatalysts for Small‐Molecule Fuel Oxidation", Adv. Energy Mater., 2025,

https://doi.org/10.1002/aenm.202500415

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