中科院金属研究所/苏州实验室/大连理工Matter：焦耳热秒级合成2nm铂立方体，用于高效氨氧化电催化

氢能作为一种清洁能源载体，在应对能源与环境挑战中具有重要潜力。电化学氨氧化反应（AOR）被视为一种可持续的制氢路径，其热力学势垒较低（0.056 V vs. RHE），但动力学缓慢，需高效电催化剂加速反应。铂基催化剂因其适中的氮物种吸附能力和优异的脱氢动力学成为理想选择，但其高成本与稀缺性限制了其大规模应用。当前，如何通过结构调控提升铂的原子利用率，尤其是暴露高活性晶面（如{100}），仍是AOR催化剂设计的核心挑战。

论文概要

2026年02月02日，中国科学院金属研究所刘畅/张峰研究员、苏州实验室前沿材料研究部丁峰研究员、大连理工大学物理学院高峻峰教授团队在Matter期刊发表题为“Ultrafast, groove-confined synthesis of ultrafine Pt nanocubes for efficient electrocatalytic ammonia oxidation”的研究论文。本研究采用磁控溅射结合超快速加热与冷却方法，在单壁碳纳米管束的沟槽中成功合成了超细（~2.0 nm）、以{100}晶面为主的铂纳米立方体。具体方法为：先在SWCNT网络上沉积单分散Pt纳米颗粒，随后在含微量氧气（约10 ppm）的环境中，以约550°C/s的极快升温速率加热至1100°C并快速冷却，诱导Pt纳米颗粒发生重构。碳纳米管沟槽提供了径向限域与轴向诱导的模板作用，而微量氧则选择性地稳定了{100}晶面。核心发现表明，所得铂纳米立方体/SWCNT复合材料在氨氧化反应中表现出卓越的催化性能，其质量活性高达111.3 A g⁻¹，起始电位低至0.36 V vs. RHE，并具有优异的稳定性，综合性能超越商业铂碳催化剂。

图文解读

图1：铂纳米立方体制备过程示意图

该图展示了铂纳米立方体在碳纳米管沟槽中的合成路径：首先通过磁控溅射在SWCNT束表面沉积单分散铂纳米颗粒；随后在含微量氧环境下进行快速加热与冷却处理，促使铂颗粒沿碳管轴向重构；沟槽的限域效应抑制径向生长，微量氧吸附降低{100}晶面表面能，最终形成立方体结构并沿碳管轴向排列。

图2：SWCNT与铂纳米立方体的结构表征

通过高分辨透射电镜（AC-TEM）和球差校正高角环形暗场扫描透射电镜（AC-HAADF-STEM）图像可见，铂纳米立方体均匀锚定在SWCNT束表面，其长边平行于碳管轴向。FFT图谱显示晶面间距为0.196 nm，对应铂的{100}晶面，证实立方体结构具有高晶面纯度。

图3：铂原子在碳纳米管沟槽中的扩散模拟

通过密度泛函理论计算铂原子在SWCNT束沟槽中的扩散路径，结果显示沿碳管轴向扩散能垒低于径向，说明碳管轴向导向作用促进了铂纳米颗粒的一维生长，为其形貌调控提供了理论依据。

图4：不同氧分压下铂纳米颗粒的形貌演变

结合DFT计算与Wulff重构模型，揭示了氧化学势对铂纳米颗粒形貌的影响：低氧时呈截角八面体，中氧时过渡为球状，高氧时形成规整立方体。TEM图像与模拟结果高度吻合，表明氧吸附可稳定{100}晶面，实现形貌可控合成。

图5：铂纳米立方体催化氨氧化性能评估

电化学测试表明，Pt NCs/SWCNTs在AOR中具有最低起始电位（0.36 V vs. RHE）和最高质量活性（111.3 A g⁻¹），分别为商业Pt/C的3倍和5倍。计时电流法及循环稳定性测试显示其活性衰减缓慢，结构稳定性优异，归因于铂立方体与碳管间的强相互作用及{100}晶面的抗毒化能力。

总结展望

总之，本研究提出一种“沟槽限域+氧辅助稳定”的策略，在碳纳米管模板上实现了超细铂纳米立方体的可控制备。机制上，碳管沟槽提供空间限域与生长导向，微量氧吸附降低{100}晶面能，共同引导铂颗粒向立方体形貌演变。性能方面，所得催化剂在氨氧化反应中表现出高活性、低电位与优异稳定性，其质量活性与耐久性均优于多数已报道铂基催化剂。该工作为贵金属纳米晶的结构调控与高效电催化剂设计提供了新思路，未来可探索将该策略拓展至其他反应体系或金属体系，并进一步研究在实际膜电极组装与器件中的性能表现。