质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中Pt基合金催化剂在氧还原反应（ORR）中长期面临着过渡金属/Pt快速氧化和流失的挑战。
2025年5月27日，华中科技大学李箐、内蒙古大学赵忠龙、厦门大学王宇成在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Regulating orbital interaction to construct quasi-covalent bond networks in Pt intermetallic alloys for high-performance fuel cells》的研究论文，Xuan Liu、Yuhan Wang、Hu He为论文共同第一作者，李箐、赵忠龙、王宇成为论文共同通讯作者。
李箐，华中科技大学教授、新能源材料与器件中心主任。国家优青（2021），国家高层次海外人才，英国皇家化学会学士，斯坦福大学2023全球前2%顶尖科学家（2023）。1983年生，2005年本科毕业于武汉大学，2010年博士毕业于北京大学。曾先后在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（导师：Dr. Piotr Zelenay）、美国布朗大学（导师：孙守恒教授）从事博士后研究。2016年加入华中科技大学。
李箐教授主要从事氢能与碳中和、电催化、燃料电池、能源材料等领域的研究。已在SCI英文期刊上发表学术论文100余篇，其中Nature Materials, Nature Catalysis, Joule, J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun.等影响因子10以上的国际顶级杂志80余篇。论文共被引用20000余次。
赵忠龙，内蒙古大学副教授。2015年博士毕业于吉林大学，2015-2019年在加州州立大学北岭分校从事博士后研究。2019年加入内蒙古大学。
赵忠龙副教授长期致力于二氧化碳电化学还原（CO2RR）的机理解析与催化体系创新，通过多尺度理论模拟（量子力学/分子力学QM/MM）与数据驱动技术（机器学习、高通量筛选）的深度融合，揭示电能驱动下CO2高效定向转化的动态规律，研发高活性、高稳定性的新型催化材料与反应系统。
王宇成，厦门大学副教授。2014年本科毕业于湖北大学，2019年博士毕业于厦门大学，导师：周志有教授，孙世刚院士，期间在Institut National De La Recherche Scientifique（加拿大）作联合培养博士，导师: Sun Shuhui。2019-2020年在Stockholm University（瑞典）从事博士后研究，导师: Yuan Jiayin。2020年加入嘉庚创新实验室，2021年加盟厦门大学。
王宇成副教授的研究兴趣包括1.燃料电池工况表征方法与工况催化表界面研究；2.催化剂与膜电极批量制备技术开发；3.燃料电池设备开发。
在本工作中，作者报道了一种在L10-PtMM’（M=Fe、Co、Ni，M’=第四周期元素（从Ti到Ge）之一）合金中的“共价化”概念，以增强其电化学稳定性。
具体来说，由于M’元素（例如Ti、V、Cr）的高d带位置导致反键态占用较少，从而在L10-PtMM’中形成了准共价键网络，增强了原子键的有序性和强度，通过增强的Pt/Co-M’键减少了Co的阳极溶解，通过电子缓冲效应抑制Pt的氧化来降低Co的阴极腐蚀。
开发的L10-PtCoCr/C催化剂在总Pt负载量低至0.075 mgPt cm-2时，在PEMFCs中展现出较高的质量活性（MA=1.27 A mgPt-1）和额定功率（16.5 W mgPt-1）。
该催化剂还具有高电化学稳定性，在经过30,000次加速耐久性测试循环后，MA和额定功率分别仅损失约3%和5%，预计使用寿命可达约42,000小时。
图1：L10-PtCoM’的键合特性
图2：L10-PtCoM’/C的结构表征
图3：L10-PtMM’/C的电化学测试
图4：L10-PtCoM’/C的溶解过程表征
图5：L10-PtCoCr/C的溶解机制
图6：L10-PtCoCr/C的MEA性能
综上，本研究提出了一种通过构建准共价键网络来增强L10型Pt基合金催化剂电化学稳定性的新策略，用于提高质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中氧还原反应（ORR）的性能。
该研究不仅从理论上揭示了通过调节轨道相互作用来增强金属间化合物稳定性的新机制，还通过实验验证了这种策略在实际应用中的有效性，为设计高性能、高稳定性的Pt基合金催化剂提供了新的思路。
这种“共价化”策略具有广泛的适用性，可以推广到其他在类似苛刻电化学环境中工作的材料，有望在质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等能源转换技术中得到广泛应用，推动氢能和燃料电池技术的商业化发展。
Liu, X., Wang, Y., He, H.et al. Regulating orbital interaction to construct quasi-covalent bond networks in Pt intermetallic alloys for high-performance fuel cells. Nat Commun16, 4895 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60171-z