Nature子刊：凹面Pt3In催化剂兼顾活性与稳定性！

实现质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的规模化运行，需要高效且稳定的正极氧还原反应（ORR）电催化剂。凹面结构和金属间相已被证实能促进铂（Pt）基催化剂的活性与稳定性，但将这两种结构特征集成于单一催化剂中仍面临挑战。基于此，北京大学郭少军教授和骆明川教授、中科院理化技术研究所夏静研究员、中国地质大学（北京）吴小文教授（共同通讯作者）等人报道了通过顺序进行Pt(111)选择性湿化学蚀刻和铟（In）辅助的形貌保留退火，成功制备了一类具有凹面四面体结构的金属间化合物Pt3In（i-ct-Pt3In）。X射线衍射、原子分辨率透射电子显微镜以及X射线吸收光谱共同验证了该金属间相的形态。

在ORR电催化应用中，i-ct-Pt3In在半电池和质子交换膜燃料电池（PEMFCs）测试中表现出显著增强的活性和稳定性。密度泛函理论（DFT）表明，i-ct-Pt3In相较于Pt对氧和磷酸根的吸附能力减弱，这一结果与原位X射线吸收精细结构（XAFS）显示的电位循环过程中Pt氧化抑制现象一致。此外，与纯Pt催化剂相比，i-ct-Pt3In对磷酸根阴离子的吸附能力也有所降低，促使作者进一步探索其在磷酸酸基高温PEMFC中的应用潜力。这些协同效应显著提高了对磷酸盐中毒的耐受性，i-ctPt3In/C在含磷酸盐电解液中分别实现了0.3 A mgPt-1和0.63 mA cm-2的性能，较商用Pt/C分别提升了7.5倍和10.5倍。在高温固体氧化物燃料电池（HT-PEMFC）中，i-ctPt3In/C在H2-O2条件下于160 °C时，可实现峰值功率密度达1.0 W cm-2，是Pt/C基准材料的1.67倍。本工作突出了对形貌纳米晶体进行有序排列在能源电催化中的潜力。

图文导读

作者设计了一种工程化路径，将纯凹面Pt(Ⅰ)与次级金属PtM(Ⅱ)合金化，形成有序的金属间化合物PtM相(Ⅲ)，提高结构稳定性。在实验中，通过顺序湿化学法合成i-ct-Pt3In催化剂，再经中温退火处理。利用乙酰丙酮铂盐（Pt(acac)2）和乙酰丙酮铟盐（In(acac)3）作为前驱体盐，十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）作为四面体导向剂，三乙酸铁盐（Fe(acac)3）作为晶面选择性蚀刻剂，葡萄糖作为温和还原剂，油胺（OAm）作为溶剂，合成了固溶态凹面四面体Pt3In（ct-Pt3In）纳米晶体。将合成的纳米晶体进一步负载在碳载体上，进行中温退火处理，以引发无序到有序的转变，得到i-ct-Pt3In/C催化剂。

图1. i-ct-Pt3In催化剂的设计、合成和表征

i-ct-Pt3In/C催化剂的电化学比表面积（ECSA）为33.6 m2/g，低于商用Pt/C催化剂的57.0 m2/g。i-ct-Pt3In/C的半波电位（E1/2）测得为0.919 V，比商用Pt/C高出73 mV。值得注意的是，i-ct-Pt3In/C催化剂在经过30,000次循环后仍保留了97.8%的质量活性（MA）。

图2. Pt3In/C催化剂的相结构、电子态和配位环境表征

在0.1 M H3PO4溶液中，Pt/C的半波电位（E1/2）下降了96 mV，而i-ct-Pt3In/C仅下降了69 mV。在0.9 VRHE下，i-ct-Pt3In/C催化剂的MA（0.3 A mg-1）提高了7.5倍，比活性（SA）（0.63 mA cm-2）提升了10.5倍，优于商用Pt/C。此外，在纯0.05 M H3PO4中进行的ORR测试也表现出相似趋势，进一步证实了i-ct-Pt3In/C相比商用Pt/C具有更强的磷酸盐耐受性。

图3.各种电催化剂的电化学研究

Pt3In有序与无序构型之间的能量差计算为-19.88 kJ mol-1，为原子有序提供了热力学依据。i-ct-Pt3In/C在整个电位范围内白线强度（Δμnorm）略有增加，并几乎恢复至其OCP状态，表明Pt氧化受到抑制。在1.23 V时，Pt(111)上决定电位的步骤（PDS）被确定为从*O到*OH的第三步反应，其能量垒为0.78 eV。在ct-Pt(111)上，该PDS计算表明，从O2到*OOH的反应步骤具有0.50 eV的自由能垒。

i-ct-Pt3In(111)进一步将最大自由能垒降低至0.40 eV，并将PDS移动到了最终的*OH到H₂O转化步骤，解释了i-ct-Pt3In/C表现出增强的OER活性。此外，H2PO4-在i-ct-Pt3In(111)上的结合能为-3.21 eV，高于ct-Pt(111)上的-3.68 eV，表明相较于纯Pt表面，i-ct-Pt3In(111)表面对H2PO4-的吸附能力较弱。

图4.机理研究

将MEA组装为：正极采用i-ct-Pt3In/C（0.6 mg cm-2），负极采用商用Pt/C（0.3 mg cm-2），质子导电电解液膜则为掺杂磷酸的聚苯并咪唑（PBI）膜。在常压条件下，i-ct-Pt3In/C在H2/O2供气下可实现1.0 W cm-2的峰值功率密度（PPD），明显优于Pt/C（0.6 W cm-2），在相似测试条件下比已报道的Pt基催化剂表现更优。在H2/空气供气条件下，i-ct-Pt3In/C在常压下可提供585 mW cm-2的PPD，超过Pt/C正极的382 mW cm-2。在H2/空气供气条件下，150 kPa下HT-PEMFC实现了高达0.74 W cm-2的PPD。

将i-ct-Pt3In/C催化剂应用于Nafion膜基PEMFC，以MEA与i-ct-Pt₃In/C构成正极（0.1 mg cm-2）、商业Pt/C（0.05 mg cm-2）作为负极。在H2-O2供气下0.9 V时，测得MA为0.80 A mgPt-1，比商用Pt/C（0.24 A mgPt-1）高出3倍以上，同时PEMFC性能得到显著提升。

图5. i-ct-Pt3In/C和商用Pt/C在极的高温PEMFC性能

文献信息

Intermetallic Pt3In concave tetrahedra for oxygen reduction electrocatalysis in proton exchange membrane fuel cells. Nature Communications , 2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-75683-5.

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