氢质子交换膜燃料电池（H-PEMFC）因其运行条件温和、燃料资源可再生、零排放、能量转换效率高和功率密度高等优点，被广泛认为是最有前途的新能源技术之一。但H-PEMFC的阴极需靠大量Pt基催化剂来加速氧还原反应（ORR），才能使H-PEMFC正常运行。而高Pt用量和有限的Pt资源使H-PEMFC成本居高不下，是其产业化的主要障碍之一。

提高Pt基催化剂活性可降低Pt用量，但也会导致其整体电化学活性面积（ECSA）的下降，从而增加H-PEMFC中单位ECSA上水的生成量和所需氧气的传输量，最终造成局部氧气传输阻力的增加，严重影响H-PEMFC性能。因此，开发实用的Pt基催化剂，既要考虑活性，又要考虑H-PEMFC中的传质问题，关键是在不损失活性和整体ECSA的情况下提高Pt利用率。而将Pt原子集中于表层，特别是开发具有低成本非Pt内核和薄层Pt壳的核壳结构催化剂，被视为推进H-PEMFC产业化极具前景的路线之一。

上海交通大学章俊良课题组采用浸渍法结合液相还原法合成出粒径较小且形貌和尺寸较均一的碳载Pd纳米颗粒Pd NPs/C。然后采用氢辅助的Pt²⁺离子置换法，即利用Pd能吸收氢气的特性，使其吸收足够的氢气，接着缓慢加入Pt²⁺离子并加热，利用Pd纳米颗粒释放出的氢和表面金属态的Pd原子还原Pt²⁺离子，并使其在Pd纳米颗粒表面外延生长成具有约3原子层厚度的超薄Pt壳，从而得到可放大制备的Pd@Pt_3L NPs/C催化剂。物理化学表征、电化学分析、单电池测试和DFT模拟计算结果显示，受益于超薄Pt壳结构以及合金化所产生的几何效应和电子效应，Pd@Pt_3L NPs/C表现出增强的ECSA、ORR电催化活性和贵金属利用率，其ECSA、面积比活性、贵金属质量比活性和Pt质量比活性分别为81.24 m²•g^–1_Pt、0.710 mA•cm^–2、352 mA•mg^–1_NM和577 mA•mg^–1_Pt，是商业Pt/C的1.3、2.4、1.9和3.1倍。此外，其还具有更优异的电化学稳定性。更重要的是，在实际的单电池测试中，在电流密度仅为1600 mA•cm^–2_geo时，其氢空和氢氧条件下的比功率分别达到了6.326/3.862和8.295/5.063 W•mg^–1_Pt/NM，是商业Pt/C的2.1/1.3倍。

图1 （a）Pd NPs/C和（b）Pd@Pt_3L NPs/C的代表性TEM图像，其中插图为相应的粒径分布直方图，（c）氢辅助的Pt²⁺离子置换法示意图

图2 （a）Pd@Pt_3L纳米颗粒的代表性STEM–EDS元素面扫结果，黄色箭头代表线扫的方向，其结果进一步显示在b（#1）和c（#2）中。（b和c）相应的STEM–EDS元素线扫结果，插图是相应的信号强度拟合曲线

图3 （a）三种电催化剂的代表性XRD谱图，半透明的短点代表衍射峰的位置，插图是Pd@Pt_3L NPs/C的代表性SAED谱图。（b）两种电催化剂的代表性XANES和EXAFS谱图

图4 （a）N₂饱和的0.1 M HClO₄溶液中的代表性CV曲线，（b）O₂饱和的0.1 M HClO₄溶液中的代表性ORR电催化活性，（c–e）N₂饱和的0.1 M HClO₄溶液中的电化学稳定性，CV和LSV的扫速分别为20和10 mV•s^–1

图5 （a）氢空和（c）氢氧条件下的代表性燃料电池性能，（b）和（d）由（a）和（c）得到的相对于金属质量归一化后的燃料电池性能，使用商业Pt/C和Pd@Pt_3L NPs/C的电池阴极Pt载量分别为~0.298和~0.152 mg_Pt cm^–2_geo

章俊良，上海交通大学“致远”讲席教授，机械与动力工程学院燃料电池研究所所长、致远学院常务副院长，上海市“东方学者”特聘教授。于上海交通大学获得学士和硕士学位、美国纽约州立大学石溪分校获得博士学位。曾在美国Brookhaven国家实验室及美国通用汽车公司从事低温燃料电池基础及应用研发十余年。主要从事界面电化学、电催化、燃料电池、纳米材料、电化学能源系统中的传热传质等研究。研究成果发表在Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、ACS Catal.、J. Mater. Chem. A、Nano Res.、J. Phys. Chem. Lett.、Appl. Energy和ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊共计100余篇，累计总引用12800余次，申请美国及国际专利20余项，中国专利25项，撰写中英文著作2部。担任Fuel Cells副主编以及Acta Physico-Chimica Sinica和Frontiers in Energy编委。承担国家“863计划”及科技部支撑计划项目、十三五国家重点研发计划“新能源汽车”试点专项课题、国家自然科学基金重点和面上项目、教育部科研重点项目、上海市新能源汽车重大专项、上汽集团大功率燃料电池电堆专项以及上汽燃料电池基金项目等。

第一作者：

罗柳轩，上海交通大学燃料电池研究所博士后。于西安交通大学获得学士学位后，在上海交通大学章俊良教授课题组进行学习，并获得硕士和博士学位。主要从事电催化、纳米材料、燃料电池和界面电化学等方面的研究工作。共发表SCI论文20余篇，其中以第一作者身份在ACS Catal.、J. Mater. Chem. A、Nano Res.、ACS Appl. Mater. Interfaces和Acta Phys. Chim. Sin.等期刊发表研究论文6篇。

Liuxuan Luo, Cehuang Fu, Aiming Wu, Zechao Zhuang, Fengjuan Zhu, Fangling Jiang, Shuiyun Shen, Xiyang Cai, Qi Kang, Zhifeng Zheng, Chenyi Hu, Jiewei Yin, Guofeng Xia & Junliang Zhang^*. Hydrogen-assisted scalable preparation of ultrathin Pt shells onto surfactant-free and uniform Pd nanoparticles for highly efficient oxygen reduction reaction in practical fuel cells. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3795-z.