在清潔能源領(lǐng)域,，燃料電池因其高效性和環(huán)保性而廣受關(guān)注,，但陰極氧還原反應(yīng)（ORR）動力學(xué)緩慢，限制了一些關(guān)鍵應(yīng)用的拓展,。近期,，日本東北大學(xué)環(huán)境學(xué)院某團(tuán)隊的采用電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD成功制備出高性能Pt基高熵合金（HEA）催化劑，在Pt/Cantor合金的(111)晶面上引入0.1 μM三聚氰胺分子后,，催化活性提升約2倍,。這歸因于三聚氰胺分子的精準(zhǔn)吸附優(yōu)化了表面電子結(jié)構(gòu),，增強(qiáng)了ORR活性。與傳統(tǒng)材料相比,， “表面分子修飾+高熵合金"的設(shè)計策略,，實(shí)現(xiàn)了催化劑性能與耐久性的雙重提升。該項工作以Enhanced Oxygen Reduction Reaction Activity on the Melamine-Modified Pt-High-Entropy Alloy Single-Crystal Lattice Stacking Surface為題發(fā)表于ACS Catalysis上（2024 14 (15), 11512-11521）,。

該團(tuán)隊利用電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD,，憑借其高精度、高均勻性和靈活性等超卓特質(zhì),，在原子級精度上構(gòu)建了Pt/Cantor合金催化劑晶體結(jié)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)了催化劑性能的突破性提升。除此之外,，APD系統(tǒng)可以在1.5 nm到6 nm范圍內(nèi)精確控制納米顆粒的直徑，不僅確保所制備催化劑的活性,，更能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的高效提升,。值得一提的是，只要靶材是導(dǎo)電材料,，APD系統(tǒng)就可以將其等離子體化,，并且在金屬/半導(dǎo)體材料制備過程中，通過控制腔體氣氛,，可以產(chǎn)生氧化物和氮化物薄膜,。高能量等離子體可以沉積碳和相關(guān)單質(zhì)體如非晶碳，納米鉆石,，碳納米管等形成新的納米顆粒催化劑,。

電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD

APD技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢：

• 精準(zhǔn)控制多層結(jié)構(gòu)：APD能夠以原子層級精準(zhǔn)控制材料厚度。在本研究中,，APD技術(shù)成功沉積了4層單晶Pt層與10層Cantor合金,，構(gòu)建了穩(wěn)定的“偽核殼"結(jié)構(gòu)，大幅提升了催化劑的ORR活性,。

• 純凈的真空環(huán)境：APD在超高真空（UHV）條件下運(yùn)行,，有效避免了外界雜質(zhì)污染。這種純凈的環(huán)境為高熵合金的均勻沉積和穩(wěn)定的表面結(jié)構(gòu)提供了保證,。

• 快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多元合金：APD能夠高效沉積多元合金（如Cr-Mn-Fe-Co-Ni）并精準(zhǔn)控制組分比例,，從而制備出高性能的高熵合金，為復(fù)雜合金材料的研發(fā)開辟了新路徑,。

• 高穩(wěn)定性：在0.6~1.0 V的潛在循環(huán)負(fù)載下,，該催化劑的晶體表面保持了超高穩(wěn)定性。這不僅延長了燃料電池的使用壽命,，也降低了材料的更換成本,，進(jìn)一步增強(qiáng)了APD技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的價值。

進(jìn)展概述：

下圖表明，三聚氰胺濃度對Pt/Cantor合金催化劑的ORR活性和表面穩(wěn)定性有顯著影響,。Pt(111)晶面：當(dāng)三聚氰胺濃度為0.1 μM時,，能提升ORR活性并改善耐久性。Pt(110)晶面：三聚氰胺濃度較高時會對ORR活性產(chǎn)生負(fù)面影響,，表明其在該表面的吸附可能導(dǎo)致催化劑的性能下降,。

下圖為三聚氰胺添加過程中ORR電流密度的變化。第一輪（紅色）和第二輪（藍(lán)色）LVS曲線表明,，表面修飾的三聚氰胺對ORR的影響顯著,，且如果表面三聚氰胺預(yù)吸附，ORR活性會迅速下降,。

下圖是經(jīng)過5000次潛在循環(huán)負(fù)載后,，Pt/Cantor合金催化劑在不同條件下（有無三聚氰胺修飾）的表面微結(jié)構(gòu)變化。左側(cè)為Pt/Cantor/Pt(111)的HAADF-STEM圖,，右側(cè)為Pt/Cantor/Pt(110)的HAADF-STEM圖,，展示了不同條件下的表面粗糙度和納米島結(jié)構(gòu)的變化。從圖中可以看出,，三聚氰胺修飾后的催化劑表面保持較為平滑,，相比沒有修飾的催化劑，其表面納米島的形成被有效抑制,。

下圖為Pt/Cantor合金催化劑的表面形態(tài)變化示意圖,。圖中展示了不同電解液和三聚氰胺修飾下的表面結(jié)構(gòu)變化。不同條件下催化劑表面的形態(tài)演變,，特別是三聚氰胺的修飾在防止Pt的溶解,、減少HEA（高熵合金）元素的析出方面的作用。圖中的Z對比度和EDS分析結(jié)果揭示了表面修飾對防止合金元素溶解的顯著作用,，進(jìn)一步提高了催化劑的穩(wěn)定性,。

電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD這一前沿技術(shù)，不僅為燃料電池催化研究開辟了新路徑,，也證明了精密材料制備技術(shù)對新能源領(lǐng)域的深遠(yuǎn)影響,。我們相信，APD技術(shù)將會持續(xù)推動能源材料從實(shí)驗室走向工業(yè)化,，為構(gòu)建綠色,、可持續(xù)的未來社會貢獻(xiàn)力量。