氧还原反应动力学速率缓慢，是燃料电池等清洁能源技术的主要限速环节，严重影响装置的运行效率、耐久性与经济性。当前，铂基合金是氧还原反应的主流催化剂，但它们普遍面临 “高活性与稳定性难以兼顾”的瓶颈难题。向合金晶格中引入氟、氮、碳、硼等轻质非金属元素进行间隙掺杂，被认为是破解该难题的有效途径。间隙位分布的非金属原子一方面可抑制金属原子的扩散与溶出，强化催化剂结构稳定性；另一方面可通过金属与非金属之间的电子轨道杂化效应，调控活性位点电子结构，进而优化催化活性。然而，现阶段研究仅局限于单一非金属掺杂和简单二元铂基合金。多组分复杂合金（含高熵合金）凭借丰富的活性位点以及高构型熵赋予的结构稳定性，有望成为综合性能优异的催化材料。因此，若能将间隙位掺杂策略拓展至多非金属、多金属耦合体系，构筑多元非金属杂化合金，将有望实现氧还原催化性能的跨越式提升。
然而，要实现“多元非金属杂化与复杂组分合金化”的协同增效，首先面临着两大合成难点。1) 非金属掺杂方法迥异、条件苛刻：各类非金属元素物化性质差异显著，且与贵金属及周期表靠后过渡金属的亲和作用偏弱，传统掺杂工艺往往需要氟等离子体刻蚀、高压高温氨气退火等苛刻条件，操作复杂且成本高昂；2) 均相复杂合金温和条件下难制备：多元均相复杂合金（尤其是元素占比接近的高熵合金），通常依赖急热、骤冷等高能耗、非平衡制备工艺实现各组元均匀固溶与亚稳态结构稳定，常规温和合成环境难以满足上述制备要求。
针对上述难点，研究团队另辟蹊径，提出“温和溶剂热合成策略”，通过三大关键机制的协同作用，实现多非金属与多金属的高效融合：首先，溶剂热反应中优先形成铂团簇，凭借其催化作用促进其它过渡金属离子同步还原；其次，借助镍离子、钴离子等过渡金属离子的强配位能力，高效活化非金属前体，促进其解离；最后，精准筛选富含活性官能团的非金属前体分子，并通过后续退火处理优化结构，最终成功创制出非金属杂化铂基复杂合金。
图1：催化材料设计与调控
该研究工作实现了多项突破：
1）合成方法：首次建立通用型溶剂热合成方法，攻克多种非金属元素（氟、氮、硼）同步掺入均相复杂组分合金的技术难题。其金属组分可扩展至铂、铜、镍、钴、铁、铬、钼、钨、钯等元素，且成分可调范围广（金属原子占比 5%-50%）。实现了从三元到七元合金（包括高熵合金）等多样化催化材料的可控制备，为多组分催化剂设计合成提供了新策略。此外，该合成方法条件温和，无需高温、高压或苛刻等离子体处理，仅在160℃溶剂热反应和400℃退火条件下即可完成，工艺简单，易于规模化应用。
图2：催化材料表征与合成机制
2）催化材料与膜电极性能：最优催化剂（如 PtCuNiCoN，PtCuNiCoFN, PtCuNiCoFNB）表现出顶尖催化性能 —— 旋转环盘电极测试中，最高质量活性达 7.8 A/mgPt、比活性达 12.1 mA/cm²，位于业内领先水平；经 30,000 次循环老化测试后，活性保留率仍高达 80%-90%，远优于传统商业铂碳催化剂，打破 “活性 - 稳定性” 制衡瓶颈；膜电极组件测试验证了其在低铂载量下的实际应用潜力：在氢气-空气和总铂载量仅为0.1 mgPt/cm2的条件下，膜电极的额定功率密度高达 1.06 W/cm²，比功率为10.6 kW/gPt，100 小时连续大电流密度下运行衰减率仅为 0.0428%/h，上述指标皆处于业内领先水平，为低成本、长寿命燃料电池的产业化应用奠定了关键材料基础。
图3：催化材料与膜电极性能展示
本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家高层次青年人才项目的资助。论文链接：//www.nature.com/articles/s41929-026-01544-5
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文稿编辑/刘韬课题组
图文编辑/冯家毓
责任编辑/李逸舟、邵士博
