提高铂的利用效率是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)发展和广泛应用的关键。这项任务的核心是为阴极氧还原反应(ORR)创造高活性和耐用的Pt基催化剂，这需要对这些催化剂在反应条件下的ORR过程有全面的了解。经过研究人员的努力，已经积累了大量关于扩展Pt和Pt合金模型表面的ORR认识。尽管已将这些认识应用于理解和设计ORR催化剂，但也已经认识到这些理解不能总是转化为纳米级系统。

有鉴于此，加州大学洛杉矶分校黄昱教授、段镶锋教授等人，回顾了理论描述符的进展，强调了推进表征和理论研究，以理解更复杂的Pt合金纳米催化剂中的ORR。特别是要了解铂合金纳米催化剂在ORR过程中的结构-组成-性能之间的动态关系，需要在精确合成，先进的原子尺度原位表征和综合计算模型等方面做出共同努力。

本文要点

1）理解催化剂表面与电催化之间的结构-功能关系是合理设计更具活性和耐久性的电催化剂的关键。在单晶表面上获得的知识已被广泛用于解释在ORR纳米催化剂上实验观察到的活性。然而，这样做存在局限性，其中已对理论预测变量进行了修改以调和理论与实验之间的偏差。作为结构描述符的平均CN可以很好地预测低折射率扩展Pt表面上的ORR活性，而为了更好地描述阶梯形和纳米级Pt表面上的ORR，则需要采用捕获单个位点局部环境的CN。

2）在铂合金系统中，由于增加了化学成分及其原子顺序，在描述ORR活性时引入了更多的自由度，因此简单描述符无法满足要求。为此，已尝试开发二元描述符以允许包括合金系统中所见的结构（如应变）和电子（如配体）效应，但是仍然需要实验验证。与扩展的单晶表面相比，纳米级表面在能量上依赖于催化剂的大小，非均质性和动态性强，因此解释所观察到的活性并识别这些表面上的活性位点极具挑战性。

3）更重要的是，越来越多的证据表明，Pt合金催化剂中近表面结构/组成的原子细节及其在电化学反应过程中的动态演变在Pt合金催化剂的活性和稳定性中都起着重要作用。开发新的铂合金ORR催化剂性能描述符是极其重要的，这需要在实验和理论模型上进行大量的努力和改进。虽然关于性能优异的铂合金ORR催化剂已有大量的发现，但系统的研究和对催化ORR机理的深入了解还有很多不足之处。复杂的相互作用因素，包括应变，配体效应和表面拓扑，在确定实际的活性位点和为合金体系确定合适的描述符方面带来了挑战。

4）另外，需要具有高时空分辨率的原位表征技术，该技术可以捕获实际作用中的催化剂表面的原子细节，以阐明耐用的ORR催化剂的设计原理。只有通过集成精确的合成，先进的原位表征和现实的计算模型，才能期望完全理解反应条件下的催化剂行为，基于已理解的结构-功能关系发现可靠的描述符，并合理设计满足需求的高活性和持久性纳米催化剂。

参考文献：

Zeyan Liu et al. Beyond Extended Surfaces: Understanding the Oxygen Reduction Reaction on Nanocatalysts. J. Am. Chem. Soc., 2020.

DOI: 10.1021/jacs.0c07696

https://doi.org/10.1021/jacs.0c07696