武汉理工大学刘勇教授团队Nature 子刊：单颗粒原子尺度梯度应变工程助力高性能燃料电池

本文报道了武汉理工大学刘勇教授团队在燃料电池阴极氧还原反应电催化剂原子层级设计上的新进展。背景方面，质子交换膜燃料电池虽为清洁能源转型关键，但阴极氧还原反应动力学迟缓，传统均匀应变难以满足多步含氧中间体的差异化能量需求，受限于萨巴蒂尔权衡。研究目的是突破传统均匀应变的局限，提出单颗粒原子层级梯度应变策略，以协同调控氧还原反应的多步过程。团队通过一步溶剂热法构筑了具有3至4层超薄Pt{111}外延壳的Pd@Pt核壳四面体，实现了由边缘至晶面中心的连续压缩应变场（-8%至-2%）。原子尺度表征、理论计算和膜电极测试证实，梯度应变使高压缩区域促进O₂活化，中等压缩区域弱化OH吸附，中间体可在不同位点间低势垒迁移，从而缓解了吸附与脱附的矛盾。结论表明，该催化剂在旋转圆盘电极测试中表现出高质量活性（2.19 A mgPt⁻¹）和优良稳定性，膜电极在H₂-O₂条件下峰值功率密度达2.10 W cm⁻²，满足DOE 2025目标。该工作建立了单颗粒空间可编程应变的设计、制备、表征与器件验证体系，为低铂燃料电池及其他多步电催化反应提供了通用思路。