陰極緩慢的氧還原動力學限制了質子交換膜燃料鋰電池的商業化應用。目前，提高氧還原催化活性最有效的策略是通過調控過渡金屬M(M=Fe、Co、Ni、Cu等)的合金化來優化催化劑與含氧物種之間的結合能。)與貴金屬Pt，從而增強氧還原的催化活性。
最近的研究表明，與表面催化劑相比，界面催化劑可以提供另一種有效的途徑來增強氧還原的催化活性。然而，如何設計一種具有新的界面增強機制的高效界面催化劑仍然是一個巨大的挑戰。近年來，過渡金屬碳化物因其高導電性和導熱性、優異的機械強度、硬度、化學穩定性和耐腐蝕性而引起了廣泛關注。通過結合PtM和過渡金屬碳化物來創造新的界面催化劑仍然是一個巨大的挑戰。
為了解決這些問題，北京大學理工學院郭少軍團隊設計開發了一種新型啞鈴狀PtFe-Fe2C納米粒子。啞鈴形PtFe-Fe2C納米顆粒是通過碳化啞鈴形PtFe-Fe3O4納米顆粒獲得的(圖1a)。電化學測試表明，該催化劑在酸性介質中氧還原的比活性和質量活性分別達到3.53mAcm2和1.50Amg1，分別是市售Pt/C的11.8和7.1倍，具有優異的電化學穩定性。催化劑的活性在5000次循環后幾乎沒有下降。
研究團隊進一步計算發現，這種獨特的結構具有新穎的無障礙界面電子傳輸機制，更有利于電催化反應，從而提高電催化活性(圖1b)。這種無障礙界面電子傳輸機制也可以推廣到其他電催化體系，如電催化析氫反應和電催化還原過氧化氫。該催化劑在酸性介質中的析氫比活性達到28.2mAcm2，比市售Pt/C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為2nM。該工作對燃料動力鋰電池電催化理論的研究和新型高效電催化劑的開發具有指導意義，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納米顆粒；C)PtFe-Fe2C納米顆粒；D)DFT計算
這項工作由北京大學理工學院的郭少軍團隊完成。郭少軍是該論文的通訊作者，香港理工大學博士后賴建平和黃伯龍博士是共同第一作者。本項目得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃等項目的支持。
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