image: （上）铂金属间化合物中金属键和共价作用引发的电子特性。（下）准金属与铂形成金属间化合物种类与结构 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
质子交换膜燃料电池相对于其他种类电池具有放电功率大、无污染等优势，同样也是氢能转化利用的重要载体。铂基金属间化合物作为电催化剂在质子交换膜燃料电池等一系列能源和环境技术中发挥着重要作用。然而，合成铂基金属间化合物过程中需要在高温（~600 ℃）驱动下重组成为有序的Pt–M金属键，这通常会对催化剂的结构产生极大的副作用，例如尺寸、形貌、组成、结构的不均一分布，进一步影响催化剂以及电池的性能。
针对这一挑战，中国科学技术大学吴长征教授团队通过在合成铂基金属间化合物过程中引入准金属原子，如Ge、Sb、Te等，这些元素与铂原子之间形成的化学键(Pt–Ge、Pt–Sb、Pt–Te)兼具金属键和共价键特性，从而打破铂基金属间化合物合成温度的限制，并且有利于质子交换膜燃料电池的催化反应。
由于准金属元素中p轨道的部分填充，铂与准金属之间会形成d-p π反馈键作为强共价相互作用，该作用力可以在金属间化合物高温合成过程中作为驱动力推动原子有序化排列，从而打破了长久以来铂基金属间化合物的合成温度限制。此外，合成的化合物兼具了金属键和共价键特性，可以进一步促进燃料电池中铂活性位点的电子传递和轨道填充，实现催化活性和抗毒化能力的提升。准金属-铂金属间化合物仅需在300 ℃即可合成得到，并且其在燃料电池电化学测试中展现出超高的氧还原活性和耐CO毒化能力(0.9 V电压下质量活性为0.794 A mg-1, CO毒化下衰减5.1%)，达到商业铂碳催化剂的11倍。
该项研究通过准金属的引入在燃料电池催化剂的合成以及工况中实现了成键和轨道的优化，为燃料电池先进电催化剂的合理设计提供了新的见解。
研究详情请见原文：
Semimetal-triggered covalent interaction in Pt-based intermetallics for fuel-cell electrocatalysis
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae233
Journal
National Science Review