第一作者：罗水平
通讯作者：陈雯、权泽卫、符显珠、骆静利
通讯单位：深圳大学、南方科技大学
论文DOI：10.1002/adma.202500848
在单原子位点工程化电催化剂可以实现前所未有的原子利用率和催化活性，但在多金属活性中心中，同时实现高催化选择性和稳定性仍然具有挑战性。在此，我们提出了一种基于完全有序的PdBi和PtBi基底的金单原子合金（PdAu1和PtAu1 SAA）的原子设计与控制，将其分别作为高选择性、活性和稳定的阴极和阳极电催化剂，用于直接甲醇燃料电池（DMFC）。具有八面体结构的PdAu1 SAA在氧还原反应中展现出超高的质量活性（5.37 A mgPd+Au-1），并且在120,000个循环中几乎没有衰减。PdAu1 SAA在甲醇氧化反应中并不活跃，而PtAu1SAA则展现出超高的质量活性（28.59 A mgPt+Au-1）。这些选择性电催化剂驱动了具有高功率密度的DMFC（155.0 mW cm-2）。密度泛函理论计算揭示通过降低反应中*OH到H2O和*HCOO到CO2的决速步能垒，实现了选择性的调节。这项工作为原子级工程化多金属合金提供了一种通用策略，推动了高性能电催化剂的发展。
甲醇是一种低成本的液体燃料（350美元/吨），可以通过现有的汽油基础设施轻松实现存储、运输和分配，具有高能量密度（17.28 MJ L-1）、可再生性和环保等优点。目前，绿色甲醇可以通过绿色氢气（来自可再生能源）与捕获的温室气体CO2进行氢化生产，促进低碳能源系统的发展。这些优势赋予了直接甲醇燃料电池（DMFCs）成为便携式电力系统中清洁能源转换设备的潜力。然而，甲醇从阳极通过聚合物电解质膜渗透到阴极，导致阴极催化剂中毒，成为高性能DMFCs发展的瓶颈，并限制了其商业化进程。为了充分发挥DMFCs的高能量密度，开发选择性电催化剂用于氧还原反应（ORR）和甲醇氧化还原反应（MOR）成为一种有效策略。此外，DMFCs的实际应用需要更多先进的ORR和MOR电催化剂，这些催化剂需要在低过电位下具备高性能、长时间耐久性和优异的抗中毒能力。
单原子合金（SAAs）是一类引人注目的单原子催化剂，其中孤立的金属原子被锚定在异质金属基体的表面，结合了单原子催化剂（SACs）和纳米合金的优点。它们明确的表面金属原子集群和独特的电子结构，能够促进复杂且缓慢的电催化过程，尤其是涉及多个电子转移和各种反应中间体/产物的过程，这是单原子催化剂难以实现的。目前，SAAs中相互作用和协同效应的原子级调控困难，限制了它们在电催化中的应用。金属间化合物具有长程原子有序性和明确的金属位点，为实现SAAs的原子级调控提供了独特的机会。然而，这些金属间化合物在电催化过程中通常含有可腐蚀的金属，尤其是P区金属元素。因此，通常会形成核-壳纳米结构催化剂，并引入应力效应。例如，PtPb金属间化合物纳米片具有均匀的四层双轴应变Pt壳层，在氧还原电催化中表现出高活性和稳定性。此外，在金属间化合物上工程化多金属SAAs提供了很大的灵活性来优化其催化性能，但在合理设计和合成高选择性、高活性和稳定的SAAs方面仍面临巨大挑战。
亮点一：本工作巧妙地利用PdBi和PtBi金属间化合物的有序表面，进行单原子级置换，结合电化学脱合金制备了单原子合金PdAu1 SAA和PtAu1 SAA，这可以发展成为普适性的多金属电催化材料单原子级调控策略。
亮点二：PdAu1 SAA氧还原催化剂的质量活性高达5.18 A mgPd+Au-1，经过12万圈循环后，其半波电位仅衰减了13 mV，并实现抗甲醇；PtAu1SAA甲醇氧化催化剂的质量活性高达28.59 A mgPt+Au-1。直接甲醇燃料电池器件实现了155.0 mW cm-2的峰值功率密度。
亮点三：拉伸应变的PdAu1和PtAu1 SAA分别在ORR和MOR中的决速步能垒较低，解释了两者在各自反应中的优异性能。PdAu1的ORR性能随拉伸应变增大呈现火山型趋势，强调了表面应变调控对优化电催化性能的关键作用。
图1. PdAu1 SAA等样品的结构表征结果。
通过原位置换在新型八面体结构PdBi金属间化合物表面引入Au原子成功制备出Pd52.2Bi46.2Au1.6。经过电化学脱合金处理，Pd52.2Bi46.2Au1.6转变为PdAu1 SAA。球差矫正的HAADF-STEM图像显示，PdAu1 SAA具有4.6%拉伸应变的fcc-Pd壳层，并与六方结构的Pd5Bi3核共同形成核壳结构。XPS、EELS及同步辐射分析结果表明，Au以原子级分散的形式占据Pd晶格的孤立位点，形成Au-Pd配位键以及Au-O-Pd作用配位键；Bi以氧化态富集于核层，而Pd壳层由于晶格拉伸应变的作用，优化了电子结构，从而显著提升了催化的活性与稳定性。
图2. PtAu1 SAA等样品的结构表征结果。
通过原位置换在hcp-PtBi纳米盘中引入Au单原子，然后采用电化学脱合金策略，成功构建具有核壳结构的PtAu1 SAA。TEM结果表明PtAu1 SAA为尺寸形貌均一的六方盘；根据HAADF-STEM可知：PtAu1 SAA的内核为hcp-PtBi，外壳为具有2.6%的拉伸应变的fcc-Pt层。EDX和XPS结果表明Au以原子级分散的金属态存在，无单独成核现象；EXAFS和WT进一步证实孤立Au原子是通过Au-Pt键锚定于Pt壳层。
图3. 电化学性能测试结果。
电化学性能测试结果表明，PdAu1 SAA和PtAu1 SAA分别展现了优异的氧还原性能和甲醇氧化性能：PdAu1 SAA的半波电位为0.928 V，显著高于PtAu1 SAA（0.886 V）、PdBi（0.878 V）和Pt/C（0.858 V）；而PtAu1 SAA的质量活性高达28.59 A mg-1PGM，是Pt/C的12.7倍。同时，PdAu1 SAA和PtAu1 SAA也表现出优异的稳定性：PdAu1SAA在经过12万次的ADTs测试后，其半波电位仅衰减了13 mV；PtAu1 SAA在进行12小时的恒电位测试后，其电流密度仍保持初始值的80%，并且在更换新电解液后，电流密度能够恢复至初始水平。PtAu1 SAA能够通过无CO途径快速将CH3OH氧化为HCOO-，然后进一步氧化为CO2。得益于其高选择性的单原子催化剂，由PtAu1SAA和PdAu1 SAA组成的DMFC器件在6 M高浓度甲醇下实现了155.0 mW cm-2的峰值功率密度。
图4. 理论计算结果。
DFT系统分析了拉伸应变对单原子合金PdAu1和PtAu1在氧还原反应（ORR）和甲醇氧化反应（MOR）中的电催化性能影响。PdAu1在4.0%应变下ORR活性更优，其中间体能垒低于PtAu1，且电子结构分析显示其更高的态密度和导电性增强了反应动力学；PtAu1在3.0%应变下MOR活性显著更高，对中间体吸附更强。拉伸应变通过调节表面电子密度分布影响中间体吸附强度，使ORR性能随应变增大呈现火山型趋势。工作强调了精准调控表面应变对优化电催化性能的关键作用，为设计高效催化剂提供了理论依据。
本工作实现了在hcp结构的PdBi和PtBi金属间化合物基体上可控地孤立金原子，并通过电化学去合金化驱动其转变为PdAu1和PtAu1单原子合金。这些金单原子合金在碱性电解液中对氧还原反应和甲醇氧化反应表现出显著的选择性：即高性能的ORR电催化剂PdAu1 SAA对MOR不活跃，而PtAu1 SAA则成为一种先进的MOR电催化剂。由这些高选择性、高活性和稳定性的PdAu1和PtAu1 SAAs催化剂搭建的DMFC具有155.0 mW cm-2的高功率密度。DFT计算表明，PdAu1 SAA在ORR的决速步中具有较低的能垒，而在MOR的决速步中则具有较高的能垒，解释了其卓越的ORR活性和抗甲醇中毒特性。表面应变单原子合金的工程化是一种通用策略，有助于在原子级别探索多金属活性中心。本研究中采用的所有策略为开发具有前所未有性能的先进催化剂奠定了基础，具有广泛的应用前景。
骆静利（Jing-Li Luo），深圳大学全职特聘教授、博导，加拿大国家工程院院士，中国腐蚀与防护学会会士。加拿大阿尔伯塔大学退休教授，曾任加拿大可替代燃料电池首席科学家。现任国际腐蚀理事会委员, Springer-Nature-Electrochemical Energy Reviews和Corrosion Science编委。长期从事电催化、固体氧化物燃料电池/电解池及能源存储与转化材料和电化学腐蚀等领域的研究，研制开发了新型固体氧化物燃料电池/电解池新工艺（如，乙烷脱氢制乙烯、CO2重整等）和新能源材料，在绿色能源和CO2捕集、利用与转化方面也取得了众多研究成果；同时，开展过大量有关材料腐蚀的研究，已在国际顶尖期刊Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition，Energy& Environmental Science，等刊物发表论文500多篇。
罗水平，深圳大学材料学院研究员，骆静利院士团队学术骨干，主要从事高性能燃料电池/电解槽器件与电催化材料的设计与构筑，聚焦多金属电催化剂的单原子级调控，在单原子合金、金属间化合物等前沿材料取得饶有特色的研究成果，在电催化材料的产业化方面积累了丰富的经验。以第一作者和通讯作者发表8篇Advanced Materials和2篇ACS Nano。主持国自然面上等7项科研项目，参与了国家重大科学研究计划项目子课题、广汽集团横向项目和深圳市可持续发展科技专项等多项研究项目。完成英文专著的重要章节1篇，获得了杨振宁物理学研究生奖学金，荣获深圳市高层次人才等荣誉，学术辅导8人前往海外名校深造。
课题组设备齐全，科研氛围浓厚，经费充足，因科研工作需要，骆静利院士团队特面向国内外诚聘PEM电解水方向博士后若干名。
一、研究方向
PEM电解水催化剂与器件
超低贵金属析氢和析氧催化剂的开发，PEM电解水系统的组装与测试。高性能催化剂的放大制备，验证，与专利保护等工作。
二、应聘条件
博士后（年薪>38万元/税前）：
1. 年龄在35周岁以下、获得博士学位不超过3年。
2. 具有较强的科研创新能力和团队协作精神
3. 具有良好的学术道德和严谨科学态度、身体健康、能胜任岗位的工作要求。
4. 博士期间在上述相关领域的国际知名期刊发表SCI索引论文2篇以上。
三、聘期基本待遇
博士后（年薪不低于38万元/税前）：
1. 省市对符合条件的在站博士后发放18万元/年生活补助（开题和中期考核后各发放一次，总额不超过36万元）；另外，学校和课题组共提供16万左右的基本综合年薪。
2. 另外，符合深圳大学“荔新奖励计划”，入选者每月额外再发放4000元奖励性薪资，按实际在岗月份随工资发放，核发不超过24个月，总计不超过96000元。
3. 符合条件的博士后可申请评定专业技术资格（副研究员），符合深圳大学“荔园留菁计划”政策的优秀博士后，可直聘深圳大学教师岗。对产业化具有浓厚兴趣的优秀博士后，可以加入课题组的公司共同创业。
4. 如果入站时确实已经具备较高的科研能力，课题组将会每月配套给予定期补助（每月不低于2000元）。入站工作后，如果工作业绩突出的将额外给予一定的科研奖励。
5. 进站时为33周岁以下，获得博士学位在1年以内。以下二项符合其中一项，给予额外的奖励性待遇每月2000元，共发放两年。（1）泰晤士高等教育世界大学前200名高校（包括国内）应届或一年内毕业的博士。（2）自然科学类博士在博士期间以第一作者发表3篇JCR二区以上学术论文。另外，在权威期刊发表学术论文或者获得国家级科研项目的博士后，深圳大学按规定给予科研奖励或配套资助。
6. 博士后出站后留深工作可以申请深圳市博士后出站科研补贴，36万分三年发放，用于科研投入或创业前期费用。
7. 博士后人员进站，可选择落户深圳市，享受落户补贴。其配偶及未成年子女可办理随迁入户。博士后子女入托、入学等按深圳市相关条例执行。
8. 若博士后资助政策有所调整，以最新文件规定为准。
四、应聘方式
1. 应聘者将个人简历及反映本人学术水平的近5年代表性成果电子文档发给联系人。
联系人：罗水平老师
联系电话：13640813886 （微信）
E-mail：luosp@szu.edu.cn
2. 初审合格者，我方将尽快组织面试将被通知面试，面试请准备如下材料：
个人简历；
面试PPT （10分钟以内，主要讲述核心科研工作）；
学位证明复印件；
反映本人学术水平的近5年代表性成果复印件。
五、申请截止时间
截止日期：招满为止。
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