近日，我校化学与材料科学学院绿色催化与传感创新团队在材料领域国际顶刊《Advanced Materials》（中国科学院一区TOP，影响因子26.8）上发表题为“Twinning Strain-induced Pathway Switching on PtPdRuFe Nanoflowers Enables Efficient Formic Acid Oxidation”的研究论文。我校化学与材料科学学院付文升教授，王燚教授，聂瑶教授为论文通讯作者，硕士研究生万家乐为论文第一作者。
在全球能源转型与国家“双碳”战略目标加快推进的背景下，氢能经济正迎来重要发展机遇。作为一种极具潜力的液态氢载体直接发电技术，直接甲酸燃料电池（DFAFC）具有理论电压高（1.48 V）、能量密度高、燃料安全性好、便于储存运输等优势，被认为在便携电子设备、电动交通工具和分布式能源系统等领域具有广阔应用前景。然而，其商业化应用仍面临关键瓶颈，即阳极甲酸氧化反应（FAOR）动力学缓慢，以及催化剂在反应过程中易受CO中毒影响而失活。
传统Pt基催化剂上的FAOR通常存在两条路径：一是直接脱氢生成CO₂的“直接路径”（HCOOH → HCOO* → CO₂ + 2H+ + 2e-），二是经脱水步骤生成CO*中间体的“间接路径”（HCOOH → COOH* → CO* + H₂O）。商业Pt催化剂虽然活性尚可，但易促使FAOR走间接路径生成强吸附的CO*“毒物”，造成催化剂迅速失活。尽管通过合金化策略形成Pt基合金能在一定程度上削弱CO*键合，但仍难以将FAOR导向直接路径，CO*诱导的失活风险依然存在。
本研究通过在PtPdRuFe纳米花（NFs）中运用孪晶界（TBs）工程，成功将甲酸的主要氧化路径转向至直接脱氢。引入的丰富孪晶界在纳米花内部诱发局部拉伸应变，有效调制了所有组成金属的d轨道电子结构，这对重新定向过渡态中间体的形成至关重要。具体而言，这种电子优化使得Pt与Fe位点对HCOO*中间体的吸附亲和力显著强于COOH*，从而推动反应优先沿理想的脱氢路径进行。同时，Ru/Fe位点对OH*的吸附能力增强，加速了CO*中间体的转化，进一步消除了由CO*引起的毒化与失活问题。得益于上述协同增强效应，所制备的孪晶PtPdRuFe纳米花展现出显著提升的催化活性与耐久性，其性能远优于非孪晶对照样品及基准Pt/C催化剂。该研究首次在多元金属体系中建立了纳米孪晶结构与优异甲酸氧化性能之间的明确关联，为高效催化剂的设计提供了新范式。
该成果是重庆师范大学近年来持续推进有组织科研与高水平科研团队建设的重要体现。化学与材料科学学院绿色催化与传感创新团队长期深耕绿色催化材料、纳米催化传感等前沿领域，近期在《J. Am. Chem. Soc.》《Adv. Mater.》《Adv. Funct. Mater.》等化学与材料领域国际顶级期刊上接连发表多项高水平研究成果。未来，团队将继续深化对复杂纳米结构催化机制的探索，推动高效、稳定新型催化剂在能源转化与传感检测领域的实际应用，为服务国家绿色低碳发展战略、助力实现“双碳”目标贡献更多智慧与力量。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202523390
