大量消耗化石能源所引发的能源危机和环境污染日益严重,开发环境友好的绿色清洁能源迫在眉睫。质子交换膜燃料电池作为其中的一项清洁能源技术,由于其具备高能量转换效率、高能量密度、低污染物排放或零排放等显著优点,正逐渐受到各国的广泛关注和重视。但是限制燃料电池大规模推广的主要问题在于其阴极氧还原反应(ORR)缓慢的动力学通常要求高的Pt负载来获得期望的性能,而Pt属于稀少且昂贵的金属。因此,开发高活性、高稳定和经济的Pt基催化剂一直以来是众多科研人员努力研究的方向。最常用的方法之一是在由较低含量的贵金属和/或非贵金属制成的核表面上沉积薄的或原子层厚度的Pt壳,形成核-壳纳米晶。这种基于Pt的核-壳电催化剂不仅使Pt的利用效率达到最大,而且提供了通过配体和几何效应调节ORR活性和稳定性的方案。本文主要围绕Pt基多金属核壳纳米晶在燃料电池阴极ORR中的应用展开了一系列的研究。基于组分、结构和形貌的设计,通过简单的湿化学合成法,成功地制备了 Au-Pd@Pt二十面体和Pd-Cu@Pt截角八面体核壳纳米晶,并分别研究了它们的氧还原催化性能。全文创新成果总结如下:(1)通过热力学调控实现了 Pt在AuPd二十面体衬底上的外延生长,成功获得了一种具有Au-Pd合金核层、Pd中间层和超薄Pt壳的三层核壳二十面体纳米晶。通过调节前驱体Au与Pd的比例,可调节Pd中间层厚度分别为12、6、3和0个原子层。氧还原性能研究发现:活性与Pd中间层厚度之间存在一种火山曲线趋势的关系。其中,Pd中间层厚度为6个原子层时性能最优,比活性和质量活性分别为商用Pt/C的7.5倍和11.6倍,且50000个循环后的质量活性仅损失8.6%,展现了优异的活性和稳定性。(2)通过热力学调控实现了 Pt在PdCu截角八面体衬底上的外延生长,成功制备了Pd2Cu@Pt、PdCu@Pt和PdCu2@Pt等三种截角八面体核壳纳米晶。以上三种纳米晶催化剂均展现出了优于商用Pt/C催化剂的氧还原性能。其中,具有Pd中间层的Pd2Cu@Pt纳米晶相比于不含Pd中间层的PdCu@Pt和PdCu2@Pt表现出更好的催化性能。其活性和质量活性分别为0.46 mA/cm2和0.59 mA/μgPt,分别是商用Pt/C催化剂的2.7和4.5倍。因此,通过引入廉价的Cu不仅提高了催化剂的氧还原活性,还显著降低了成本。