随着世人瞩目的《巴黎气候协议》正式生效，世界各国都在加大力度研究开发新能源技术，以减少传统化石燃料的使用，尽早达到温室气体零排放的目标。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）凭借其能量转化率高、清洁排放的优点，引起了人们强烈的研究兴趣，成为当今世界备受关注的研究开发热点之一。
如今，炭载铂基催化剂依旧是应用最广泛的PEMFCs阴极商业催化剂。然而伴随着PEMFCs的规模化应用，商业铂炭催化剂（Pt/C催化剂）成本高、寿命短、活性低等问题暴露出来，限制了PEMFCs的进一步推广应用。因此，如何在提高催化剂电化学活性的同时降低催化剂的制造成本，成为PEMFCs研究领域最重要的研究方向之一。
中国天津大学化工学院、天津化学化工协同中心刘昌俊课题组（http://fuel.tju.edu.cn/）和合作者美国纽约州立大学宾汉姆分校钟传建教授针对这一问题，利用“室温电子还原”技术，合成了新的炭载铂钯合金催化剂（Pt-Pd/C 催化剂），并对它的物理化学性质和氧还原反应催化性能进行了详细的阐述。研究证明，这种新型催化剂的单位质量催化活性是商业Pt/C催化剂的4倍。经过一万圈的循环伏安扫描稳定性实验后，其催化活性仅下降3.5 %，显著优于商业Pt/C催化剂。
刘昌俊课题组开发的“室温电子还原”技术是在室温条件下电离低压气体，形成大量电子或其他带负电粒子，以此还原标准电极电位大于零的金属离子。该技术在还原过程中无需添加任何还原剂、保护剂和分散剂等化学试剂，不需要昂贵设备，操作简单方便，快速环保。经该技术制备的贵金属纳米颗粒粒径小、分散度高、与载体作用力强，因而表现出优异的催化性能。值得说明的是，由于其室温低压的温和处理条件，“室温电子还原”技术还可以与生物质材料相结合，制备性质可控的贵金属纳米催化剂。在本项研究中，研究团队利用该技术先于炭黑载体上还原负载Pd纳米颗粒，然后再实现Pt离子的还原，最终制备得到了Pt-Pd合金纳米颗粒。这些合金纳米颗粒在载体上分布均匀，平均粒径仅有2.6 nm，暴露面基本为（111）面。这一结构特性使氧气在Pt表面上的分解速率显著提升。另一方面，这些合金纳米颗粒表现为核壳结构，其中Pt元素富集于外壳，内核主要为Pd元素。这一结构有利于增强Pt和Pd两种元素之间的“配体作用”，使得Pt原子中d电子层的中心能量显著降低，导致Pt原子与吸附OH集团的相互作用减弱，结合能降低。依靠这两方面的改性，Pt-Pd/C催化剂的氧还原反应催化活性是商业Pt/C催化剂的4倍。最令人兴奋的是，由于合金纳米颗粒与炭黑载体的强相互作用，该催化剂表现出了十分优异的催化稳定性。经过一万圈的循环伏安扫描稳定性实验后，其催化活性仅损失3.5 %，而商业Pt/C催化剂则损失了19.5 %。这些优势将使Pt-Pd/C催化剂成为PEMFCs推广应用的新助力。
研究者相信，此项研究将会为PEMFCs的铂基催化剂研究开辟新的途径，为合金催化剂的开发应用提供新的思路。“室温电子还原”技术，这一新颖有效的催化剂制备技术，将会获得更多应用。相关结果已发表在Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.201600486）上。
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