使用小的有机分子或氢作为阳极燃料的燃料电池可以为清洁电动汽车提供动力。从实验的角度，通过原位电化学光谱技术和密度泛函理论计算，获得燃料电池可能的电催化反应机理，为进一步开发新型纳米催化剂提供理论指导。合金纳米材料作为燃料电池电化学反应的先进纳米催化剂，极大地提高了电催化活性和稳定性，引起了广泛关注。合金纳米催化剂电催化性能的提高可能与协同效应如电子效应和应变效应密切相关。根据原子的排列，合金可以分为随机合金和金属间化合物(有序结构)。与随机合金相比，金属间化合物通常具有较低的生成热和较强的杂原子键合强度，从而在全pH溶液或电化学测试中均具有较高的化学和结构稳定性。

有鉴于此，厦门大学孙世刚院士和姜艳霞教授等人，综述了贵金属合金纳米催化剂的最新研究进展及结构-功能关系，其中以Pt基催化剂为主要催化剂，并全面了解了它们对燃料电池电催化性能的重要影响。

本文要点

1）新型合金纳米催化剂具有强大的三相界面，可实现高效的电荷和质量转移，可在电化学工作站测试中获得理想的活性和稳定性，并有望在苛刻的测试条件下获得更高的功率密度。到目前为止，随着纳米技术和表征方法的改进，研究人员可以有目的地合成具有特定物理性能和优异电化学性能的合金纳米催化剂。

2）工程表面/近表面纳米结构是提高合金电催化性能的有前途的策略，可以使活性位点的暴露和利用最大化。基于原位电化学光谱技术和经典理论计算的基础，讨论了分子吸附模式，化学键裂解，反应能垒，配位环境以及潜在的反应机理等。然后，提出了五种电催化反应所面临的挑战，以及如何解决这些挑战?详细讨论了近年来Pt基合金纳米催化剂的开发和应用。特别是，介绍了合金的电子效应，应变效应，有序结构，以强调它们在改善电催化性能中的作用，并介绍了优化策略和定量方法的进展。此外，还总结了一些改善合金纳米结构的常用策略，包括退火处理，脱合金策略和电流置换反应等，这些策略为指导合成具有优异性能和耐久性的纳米催化剂提供了有用的指导。设计具有独特效果和结构的先进合金纳米材料有望实现FC的商业化。最后展望了合金纳米催化剂的发展前景。

3）随着材料工程技术和理论计算的发展，已经成功设计了许多高活性合金催化剂。这些合成策略的目的是提高反应中间体的结合强度或降低反应能垒。各种高性能合金纳米催化剂的出现为燃料电池的实际应用奠定了基础，也为未来的发展方向提供了一些思路。（1）某些电催化反应机理仍缺乏实验证据，动力学过程缓慢的原因尚不明确。这些问题的解决对于设计高活性和耐用的纳米催化剂至关重要。许多原位表征技术（例如FTIRS，TEM，XRD，XPS，NMR，拉曼，XAFS等）有助于揭示潜在的反应机理和控制活性位点控制。（2）从电化学反应过程的角度来看，活性物质通过双电层/水层的输运非常重要，很少有研究针对这些方面提出具体的策略。双电层的电结构与催化表面密切相关，因此电解质溶液中催化剂表面的动态变化也是未来的主要研究方向。（3）对于合金材料的设计，由于催化剂在长期运行过程中会发生非贵金属的表面氧化和溶解，因此必须调整催化剂的表面结构。除了本文提到的金属间化合物外，碳纳米管包覆的薄层合金纳米颗粒，非金属合金纳米材料和高熵合金材料的受控合成也可以提高稳定性。（4）此外，燃料电池的长期运行还需要弄清楚纳米材料的降解机理，这方面的研究较少。通常，对基础研究中有关现象的理解以及合金材料的开发对于将来燃料电池在日常生活中的广泛应用至关重要。

参考文献：

Junming Zhang et al. Random alloy and intermetallic nanocatalysts in fuel cell reactions.       Nanoscale, 2020.

DOI: 10.1039/D0NR05475E

https://doi.org/10.1039/D0NR05475E