近日，北京大學物理學院顏學慶教授與深圳大學、中國科學院高能物理研究所等多家單位合作，在鉑顆粒上進行鎳摻雜和構建原子尺度缺陷用于提高其燃料電池陰極性能，并利用同步輻射X射線技術對改性的鉑顆粒的短程和中長程結構進行了系統研究，提出原子尺度缺陷帶來的獨特應變結構有利于提升催化劑的抗一氧化碳中毒和甲醇耐受性能。相關工作以“配體效應與缺陷協同提升Pt基材料氧還原活性和抗毒化性能” (Harnessing the Synergistic Interplay between Atomic-Scale Vacancies and Ligand Effect to Optimize the Oxygen Reduction Activity and Tolerance Performance)為題，在線發表于《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)，并被評為熱點論文(Hot paper)。

圖1 石墨烯負載鎳摻雜缺陷鉑納米顆粒示意圖

氧還原反應(ORR)是燃料電池陰極的關鍵反應，其效率直接影響著燃料電池的性能。目前常用的鉑基催化劑存在成本高和易中毒失活等問題，嚴重制約了燃料電池的大規模應用。因此，發展高活性和高耐受能力的氧還原反應催化劑對于提升燃料電池性能至關重要。近年來，晶體缺陷在材料學領域中備受關注，但相關研究在鉑基催化劑領域仍較為少見。

基于此，研究人員利用一步熱解法在石墨烯上負載了鎳摻雜的鉑納米顆粒，通過鋅的汽化熱解過程引入原子尺度的缺陷，并通過球差矯正的透射電鏡確認鉑納米顆粒存在大量原子尺度的缺陷。為了進一步闡明原子尺度的缺陷對鉑納米顆粒結構的影響，研究人員采用同步輻射X射線吸收光譜(X-ray absorption fine structure, XAFS)結合同步輻射X射線衍射技術獲取分布函數(Pair distribution function, PDF)對缺陷造成的結構應變進行了詳細的研究。XAFS結果表明，缺陷的引入壓縮了Pt-Pt第一配位殼層，說明缺陷的引入引起晶格畸變導致了壓縮應變。然而，XAFS僅對局部結構敏感，難以獲得中長程范圍內的結構信息。因此，研究人員進一步使用PDF對晶格長程范圍進行進一步表征。實驗結果表明，富缺陷的鉑納米顆粒的Pt-Pt第一、二、四、六、九、十配位殼層發生壓縮，Pt-Pt第三、六、七、八配位殼層發生拉伸，即在中長程有序范圍內晶格同時存在拉伸和壓縮應變，該晶格拉伸與壓縮共存的混合應變結構首次被發現和報道。

圖2 石墨烯負載鎳摻雜缺陷鉑納米顆粒合成過程與電鏡結果

圖3 同步輻射X射線吸收光譜及X射線衍射分布函數結果

性能測試表明，該混合應變結構有效提升了鉑顆?？挂谎趸级净阅芎图状寄褪苄阅艿焕贠RR活性提升。針對這一問題，研究人員引入微量鎳對含缺陷的鉑顆粒進行合金化，結合XAFS和PDF結果與性能測試結果表明，微量鎳的合金化在不影響上述混合應變結構的情況下引入Ni與Pt之間的電子協同效應，從而實現在提升ORR性能的同時保留了抗一氧化碳毒化性能和甲醇耐受性能。

該工作利用同步輻射X射線技術深入研究了鉑納米顆粒中原子尺度缺陷的構建及其對短程及中長程結構的影響，首次闡明了原子尺度缺陷能夠在中長程結構范圍形成壓縮與拉伸混合應變，并提出應力效應與配體效應的協同策略，為調節金屬基納米材料的電催化活性提供了全新的思路。