把原子当积木？科学家完成了合金催化剂原子尺度上的精确合成

堆积木的时候，按照积木的颜色、形状，可以很容易将积木有规则地排列起来。在纳米世界，这样的结果也是科学家们想要实现的事情，他们希望能够得到规律排列的原子结构，从而对物质本质有更深刻的理解与认识。但是，他们不能像移动积木一样，直接去移动原子。所以，如何实现原子的有序精准排列，是一件困扰科学家很久的事情。

双金属合金中，两种金属原子堆叠在一起，就会存在如何排序的问题。一般的合成方法得到的合金虽然具有确定的晶体结构，但两种原子随机占据了晶格的不同格点，是颜色随机的“积木堆”。这样的结构也许会存在一些独特的性质，但由于原子随机排列的性质，难以建立准确的物理图像，会对基础概念的深入理解带来困难。

如何让合金中的原子按照一定的规则有序排列？目前，一种可能的途径是利用热力学过程。在原子规律排列的结构中，原子之间具有更强的相互作用，这样的结构更稳定，具有更低的能量。既然有序是一种更稳定的状态，为什么这样的结构难以得到呢？这是因为合金从不稳定的无序状态转变为稳定的有序状态，需要越过一个势垒。这个势垒像一个水坝，阻止了物质由无序状态转变为有序状态。为了让物质越过这个势垒，就需要给无序排列的合金晶体提供能量。然而，高温会让纳米颗粒发生团聚，导致其尺寸变大，失去作为纳米颗粒的优势。因此，合成小尺寸的纳米双金属原子有序合金困难重重。

最近，中国科学技术大学梁海伟教授课题组与合作者北京航空航天大学水江澜课题组在《科学》上发表的最新成果，对这一困境提出一种解决方法。他们介绍了一种合成方法学，实现了在保持颗粒尺寸小于5纳米的同时，完成双金属原子的有序化过程，合成得到了小尺寸的双金属有序合金。他们实现这一目标的基础是实现了硫掺杂碳载体的精准合成，这是该课题组在过去几年中一直研究的课题。

由于该碳载体中掺杂的硫原子与金属原子之间强烈的相互作用，能够将金属颗粒强有力地束缚在碳载体上，从而在高温下仍然能够保持颗粒的尺寸基本不变。利用这个载体，他们成功获得了一系列的小尺寸铂基双金属有序合金，建立了一个拥有46种铂基合金的“材料库”。通过对这一系列合金的电化学测试，观察到表面应力与催化活性之间的线性关系。

这一工作解决了小尺寸有序合金的合成难题，成功研发出一系列高性能、低成本的铂基氢燃料电池催化剂，对于推动氢燃料电池产业化、实现我国碳中和目标具有一定意义。

梁海伟表示，氢燃料电池是一种高效的清洁能源，在铂基氢燃料电池与新能源汽车的发展中，如何降低铂的用量是一个必须要面对的问题，而提高铂催化剂的活性则是一种较为高效的方法。他们所探索的制备铂基催化剂的方法是一种普适性方法，有望大幅降低铂使用量，同时氢燃料电池性能仍能保持在目前世界先进水平。和商业铂碳催化剂相比，他们所合成的铂镍合金催化剂的催化活性提高5倍以上。在铂的使用量只有商业铂碳催化剂的十分之一的情况下，他们所合成的铂钴合金催化剂仍然表现出与商业铂碳催化剂相当的燃料电池性能。

来源：中国科学技术大学