目前因为人们在固定及运输业应用领域对清洁能源转换的需求，质子交换膜燃料电池得到快速发展，其中高Pt担载量电催化剂显著提高了成本，因此改善催化剂、催化剂的担载基底、设计催化剂层的结构都变得非常重要。近期由于纳米技术和材料科学的发展，导致发展了一系列材料体系催化剂，包括具有特别纳米结构的Pt基合金催化剂，非Pt系催化剂（比如金属-氮修饰的碳或者改性碳）用于控制界面性质或者离子交联聚合物/催化剂之间的相互作用。此外，一些比较先进的表征技术使用有助于深入揭示催化剂在各种不同条件中催化剂结构的变化情况。

有鉴于此，柏林工业大学Peter Strasser、Fabio Dionigi等综述报道这些相关研究的最新进展情况，讨论了相关领域的未来发展前景和方向。

 本文要点：

（1）

本文对质子交换膜燃料电池中催化剂和催化剂基底材料的相关重要进展工作进行总结和讨论。首先讨论了低含量铂系元素电催化剂、三相界面设计进行总结和讨论。比如对于Pt催化剂而言，调控界面Pt原子的压缩应力是调控ORR催化活性的重要方法，在双金属PtM催化剂中Pt与3d过渡金属形成的合金催化剂导致电子结构和催化活性之间形成火山型变化规律，比如原子半径小于Pt的3d过渡金属元素形成合金的过程中导致Pt富集表面层产生压缩应力，降低含氧中间体的吸附能；与原子半径大于Pt的镧系金属构建合金，导致界面Pt原子重排，形成Kagome层并且形成压缩应力。相关文献中报道Pt₃Ni (111)单晶材料含有较薄的原子层，表现了最高的催化活性。此外，相关文献中报道由于产生拉伸应力，导致PtPb@Pt纳米片的Pt(111)晶面产生增强的活性氧中间体与界面Pt原子的结合能力。此外，非合金化Pt催化剂改善活性的相关研究同样得到发展，相关文献中报道了设计合成高活性的缺陷Pt(111)催化剂。除了催化活性改善之外，提高催化剂的寿命和耐久性同样非常重要。相关文献中报道发现沉积厚度超薄的Pt层能够改善催化剂的耐久性。催化剂中的配体效应能够影响达到三层Pt原子，因此能够通过在界面上电子相互作用降低含氧中间体物种的界面吸附效应，因此这种超薄Pt层的厚度对于催化活性非常关键。

（2）

随后，分别讨论PtNi八面体合金化、原位TEM表征技术以及其他先进的表征技术使用等问题。PtNi八面体界面原子合金化能够形成三元金属界面，虽然能够在一定程度上提高催化剂活性，但是在催化反应过程中面临着Ni溶解问题，导致催化剂的寿命较低。后来，人们发现Mo修饰在PtNi的界面上形成三元合金能够改善次外层Ni的稳定性，同时稳定配位不饱和界面Pt原子。因此，能够实现改善催化剂稳定性的效果。此外，人们发现Rh掺杂修饰在PtNi的界面上能够改善催化活性和催化剂寿命的作用。

（3）

讨论了电催化测试性能中表现出具有高催化活性PtM合金如何进一步应用到质子交换膜燃料电池的相关进展和研究。作者还讨论了三相界面处纳米结构调控和改善实现增强电催化活性的相关研究工作，介绍了目前出现的无Pt族贵金属作为一种具有前景的替代性电催化剂的进展和发展前景。

（4）

总结与展望。对改善Pt系贵金属纳米结构催化剂的稳定性改善方法、改善不含Pt族元素的催化剂催化活性和耐久性改善方法、催化剂层结构的设计方法等发展前景进行讨论。

参考文献

Sun, Y., Polani, S., Luo, F. et al. Advancements in cathode catalyst and cathode layer design for proton exchange membrane fuel cells. Nat Commun 12, 5984 (2021).

DOI: 10.1038/s41467-021-25911-x

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25911-x