曹亮研究员课题组PNAS: 结构演化驱动的动态催化图谱解析Pt–Cu纳米颗粒ORR活性

浙江大学化学系曹亮研究员课题组在合金纳米催化剂理论设计方面取得新进展，研究成果在2026年2月18日以“A multiscale theory framework predicts size- and ordering-dependent activity in Pt–Cu oxygen reduction reaction catalysts”为题，发表于PNAS。论文链接：https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2516464123。

图1.尺寸和有序度共同调控Pt–Cu纳米颗粒ORR催化活性。

开发高性能、低铂载量的氧还原反应（ORR）催化剂是推进燃料电池商业化应用的关键。Pt–Cu合金纳米颗粒是颇具前景的候选材料，但其催化性能深受颗粒尺寸、成分及原子有序度等多因素耦合影响，传统实验与理论方法难以系统解析其中复杂的构效关系。

为解决这一难题，研究人员发展了一个多尺度理论计算框架。该框架有机整合了密度泛函理论（DFT）、簇展开（CE）、动力学蒙特卡洛（KMC）与Metropolis蒙特卡洛（MMC）采样，从而在接近DFT精度的前提下，高效处理实验尺度（4–10 nm）纳米颗粒的构型演化与能量评估。进一步结合KMC模拟，该框架还能刻画电化学活化过程以及反应条件下的表面吸附-脱附动力学。

利用该框架，研究团队系统预测了不同尺寸、成分和有序度的Pt–Cu八面体纳米颗粒的ORR活性，并绘制了完整的活性图谱。研究发现：对于无序固溶相纳米颗粒，存在一个最优成分Pt0.85Cu0.15，其质量活性在约5 nm处达到峰值，比活性则在约6 nm后趋于饱和。 更有趣的是，研究进一步指出有序相与无序相Pt–Cu纳米颗粒的催化性能存在尺寸依赖的“交叉”：有序相颗粒由于次表层L12有序结构的调控，在较小尺寸（~2.7 nm）下活性更高；而当颗粒尺寸超过4 nm时，无序相颗粒因其表面具有更宽、更连续的*OH吸附能分布，从而提供更多高活性位点，表现反超有序相颗粒。

该工作不仅为Pt–Cu体系提供了清晰的“尺寸–组成–有序度”活性图谱与设计准则，更将先前针对Pt–Ni体系发展的计算框架（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 7352-7360.），拓展为适用于合金纳米催化剂中“有序-无序”性能交叉研究的普适性工具。

浙江大学化学系为本研究的第一署名单位，曹亮研究员为唯一通讯作者，硕士生肖琪为第一作者。本研究得到了浙江大学化学系，国家自然科学基金(22203072)和国家重点研发计划（2024FYA1509204）的支持和资助。

课题组/导师主页: https://person.zju.edu.cn/en/caoliang

图文：曹亮研究员课题组

编辑：黄珍珍  邹尔纯

审核：陆展