Protonenuitwisselingsmembraanbrandstofcellen (PEMFC's) worden over het algemeen beschouwd als een schone en duurzame technologie voor energieconversie om de steeds schaarser wordende fossiele brandstoffen te vervangen vanwege de hoge energieconversie-efficiëntie, hoge energiedichtheid, en lage of nul uitstoot van verontreinigende stoffen. Duidelijk, platina (Pt) is verreweg een belangrijk onderdeel van de ultramoderne elektrokatalysatoren voor de zuurstofreductiereactie (ORR) aan de kathoden, wat een bepalende halve reactie is om de prestaties van deze brandstofceltechnologie te verbeteren. Echter, de trage reactiekinetiek van ORR vereist vaak een relatief hoge belasting van Pt om een ​​gewenste brandstofcelprestatie in de praktische toepassingen te bereiken, die ernstig wordt beperkt door de hoge kosten en schaarste van Pt.

Als zodanig, onderzoekers hebben enorme inspanningen geleverd om actieve, stal, en economische op Pt gebaseerde katalysatoren in de richting van ORR in de afgelopen tien jaar. Het opnemen van Pt met minder edele en/of goedkope metalen om legering/kern-omhulselkatalysatoren te vormen, wordt beschouwd als een veelbelovende strategie om de katalytische eigenschappen naar ORR in brandstofcellen aanzienlijk te verbeteren als gevolg van elektronenkoppeling en spanningseffect tussen verschillende metalen. Vergeleken met op Pt gebaseerde elektrokatalysatoren, dergelijke kern-schil elektrokatalysatoren voorkomen niet alleen het uitlogen of oplossen van het niet-Pt-metaal om de stabiliteit te verbeteren, maar maak ook volledig gebruik van elk Pt-atoom en verlaag zo de kosten van katalysatoren.

Volgens de bekende vulkaanplot voor ORR-activiteit, Pd is waarschijnlijk het beste kernmateriaal om op Pt gebaseerde kern-schil elektrokatalysatoren te vormen vanwege de geschikte elektronenkoppeling en het synergetische effect daartussen. Echter, de stabiliteit van dergelijke Pd@Pt core-shell-katalysatoren kan niet voldoen aan de eis van commercialisering vanwege het selectieve oplossen van Pd-atomen uit de kernen tijdens de cycli. De toevoeging van stabiliserende elementen (bijv. Au) in op Pt gebaseerde nanokristallen heeft bewezen actieve componenten te beschermen (bijv. Pt en Pd) in de katalysatoren van oplossen bij potentiaalcycli door hun oplossingspotentieel op te schuiven, en garandeert daardoor een uitstekende stabiliteit op lange termijn. Echter, deze Au@Pt core-shell elektrokatalysatoren lijden aan een afname van de ORR-activiteit als gevolg van de geïnduceerde expansieve spanning in Pt-schillen als gevolg van de grotere roosterconstante en grotere atoomgrootte van Au dan Pt in combinatie met de ongunstige elektronische koppeling daartussen.

Onlangs, Prof. Zhang in het onderzoeksteam onder leiding van prof. Deren Yang van de universiteit van Zhejiang, werkte samen met prof. Wu van de Shanghai Jiao Tong University en ontwikkelde een gemakkelijke benadering om icosaëdrische AuPd@Pt-nanokatalysatoren te synthetiseren, bestaande uit ultradunne Pt-huiden, Au-Pd-legeringskernen en Pd-tussenlagen met variabele dikte. Ultradunne Pt-huiden met twee atomaire lagen werden epitaxiaal gecoat op zoals bereide icosahedrale Au-Pd-zaden. De controle over de dikte van Pd-tussenlagen in een reeks van 3 ~ 12 atomaire lagen werd gerealiseerd door de voedingsmolverhouding van Au- en Pd-elementen af ​​te stemmen. De AuPd@Pd@Pt icosahedra met Pd tussenlagen, vooral Au60Pd40@Pt elektrokatalysatoren met ongeveer zes atomaire lagen, vertoonden opmerkelijk verbeterde activiteiten en duurzaamheid ten opzichte van ORR in een zure omgeving in vergelijking met commerciële Pt/C en Au75Pd25@Pt icosahedra zonder Pd-tussenlagen. De drielaagse kern-tussenlaag-schaal nanostructuren met icosahedrale vormen optimaliseren verder de elektronische structuur van edelmetaalatomen voor ORR-katalyse en maximaliseren het gebruik van Pt op basis van andere kern-schaal nanokatalysatoren. Dit werk werpt licht op de sleutelrollen van Pd-tussenlagen in hoogwaardige Au-Pd-Pt ORR-katalysatoren met kern en schaal en biedt een nieuwe strategie voor het ontwerp van elektrokatalysatoren, wat zorgt voor een hoge activiteit en duurzaamheid tegelijkertijd.