文章于2026年1月21日发表在Journal of the American Chemical Society，南京大学丁维平为通讯作者。
DynamicVibration-CoupledEnergyTransferforBoostingORR CatalystsinFuelCells
DOI：10.1021/jacs.5c15936
本研究创新性提出"振动耦合能量转移"（Vibration-Coupled Energy Transfer, VCET）机制，通过在PtCo纳米颗粒表面精准锚定柔性叔丁基磺酰基杯[4]芳烃（tBuC[4]A）分子，将氧还原反应（ORR）中O₂吸附释放的放热能量（-0.956 eV）转化为分子振动并延迟释放，定向驱动邻近位点上OH脱附这一吸热限速步骤，实现"吸附-激发-脱附"的动态能量管理范式；基于神经进化机器学习势的大规模界面动力学模拟揭示，tBuC[4]A振动激发态寿命达4.1×10⁴ ps，比表面声子寿命延长4个数量级，使OH脱附能垒从0.375 eV显著降至0.183 eV（降低51%），能量利用效率达13.2%；原位FTIR与拉曼光谱证实O-O键活化加速与OH*脱附促进的协同效应；所制备的tBuC[4]A-PtCo/C催化剂在0.9 V下质量活性达1.03 A mgPt⁻¹，30,000次循环加速衰减测试后保留89.5%初始活性；在0.1 mgPt cm⁻²超低载量下，质子交换膜燃料电池实现2.07 W cm⁻²峰值功率密度（商用PtCo催化剂的1.4倍），活化能降至3.63 kJ mol⁻¹，100小时恒流放电电压衰减率仅-1.98×10⁻⁵ V h⁻¹，全面超越美国能源部（DOE）2025年技术目标。图1 VCET机制的理论预测
图2 tBuC[4]A-PtCo/C的制备与结构表征
图3 氧化还原反应过程中表面物种演变的探索
图4 tBuC[4]A-PtCo/C的ORR性能
结论与意义
该工作突破传统催化剂设计局限于静态电子结构调控（配体效应、应变效应、金属-载体相互作用）的范式，首创"动态能量管理"新维度：通过在PtCo(111)表面选择性锚定具有构象柔性与丰富低频振动模式的tBuC[4]A分子（优先与Co位点配位，最小化对Pt活性中心的干扰），构建O₂吸附与OH脱附步骤间的能量桥梁——O₂在Pt位点吸附释放的放热能量通过表面声子-声子散射激发邻近tBuC[4]A分子振动（单分子储能0.126 eV），其超长激发态寿命（4.1×10⁴ ps）使能量存储窗口比常规声子耗散时间（~0.48 ps）延长8.5×10⁴倍，从而在动力学时间尺度内将储存能量定向释放至OH脱附位点，使决速步能垒降低51%；理论计算与原位光谱共同证实该机制同时促进O-O键断裂（O₂中O-O键长从1.28 Å拉伸至1.35 Å）与OH脱附（Pt-O键弱化，O-H键强化）；值得注意的是，tBuC[4]A对Pt d带中心的电子调制效应极小（仅从-2.129升至-2.109 eV），证明性能提升主要源于动态能量转移而非静态电子结构改变；此外，tBuC[4]A通过三重机制增强稳定性：(1)空间位阻抑制纳米颗粒团聚，(2)配位保护降低Co溶出率（6% vs 54%），(3)螯合渗漏的Co²⁺离子防止其进入质子交换膜破坏质子传导；该VCET机制为解决多步催化反应中放热/吸热步骤热力学不对称性这一根本挑战提供了全新思路，标志着催化剂设计从"静态结构优化"向"动态能量重分配"的范式跃迁，为高功率密度、长寿命燃料电池的实用化铺平道路。
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