新闻网讯 近日，我校苏宝连院士、刘勇教授团队在燃料电池阴极氧还原反应电催化剂的原子层级精准设计领域取得重要进展。相关成果以“Single-particle atomic-scale strain-gradient engineering for high-performance fuel cells”为题，于7月15日发表于学术期刊《Nature Communications》上。该成果是继刘勇教授团队2023年在该期刊（Nat. Commun. 2023, 14, 1518）发表相关研究成果后，在贵金属催化剂应变工程与燃料电池应用方向取得的又一重要进展。

质子交换膜燃料电池是氢能高效利用和绿色能源转型的重要技术路径，但阴极氧还原反应动力学缓慢，仍依赖高活性、高稳定性的铂（Pt）基催化剂。传统晶格应变调控策略可有效调节Pt电子结构和反应中间体吸附性能，但均匀应变难以兼顾氧分子活化和反应产物脱附等多步反应需求，且常规核壳纳米催化剂存在应变易释放、活性位点调控不足等问题。针对上述挑战，刘勇教授团队在前期研究基础上，进一步发展原子尺度应变工程策略，实现了从“整体应变调控”向“单颗粒梯度应变精准设计”的突破。

研究团队首次在单个Pd@Pt核壳四面体纳米颗粒中构筑了可空间调控的连续梯度压缩应变场，在仅3–4层Pt{111}原子层外壳内实现由颗粒边缘和顶角区域向晶面中心逐渐释放的压缩应变分布（约−8%至−2%）。该独特结构使催化剂不同区域能够协同调控氧分子活化、反应中间体转化和羟基脱附等关键步骤。通过原子尺度表征、理论计算及膜电极器件测试，团队系统揭示了梯度应变促进氧还原反应的作用机制，所制备催化剂半电池质量活性达到2.19 A·mgPt⁻¹，实际燃料电池器件性能全面超越美国 DOE 2025性能与耐久目标

该研究首次实现了贵金属催化剂由传统“平均结构调控”向“单颗粒原子尺度应变梯度编程”的转变，建立了空间差异化活性位点精准设计的新策略，为突破复杂能源催化反应中活性与稳定性难以兼顾的瓶颈提供了新思路。相关成果有望推动低铂、高性能燃料电池催化材料的发展，为氢能产业规模化应用提供重要材料基础。

该研究获得国家自然科学基金重大项目、国家自然科学基金面上项目、湖北省自然科学基金以及材料复合新技术全国重点实验室青年创新研究基金等资助。我校为第一完成单位，材料复合新技术全国重点实验室、集成电路学院为论文通讯单位，苏宝连院士，赵东元院士，陈丽华研究员和刘勇教授为论文共同通讯作者。

图 单颗粒Pd@Pt核壳四面体催化剂的构筑、原子尺度梯度应变表征及膜电极性能

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75485-9

文：刘勇、黄玲林；编辑：曹明；审核：胡泳