針對特定的應用場景來精準設計和合成具有相應活性結構特征的納米催化劑一直是納米催化研究的重點和挑戰。直接乙醇燃料電池(Direct ethanol fuel cell, DEFCs)在電力的產生、儲存和轉化等領域中具有廣闊的應用前景，促進其發展的關鍵在于高效低成本的乙醇氧化反應(EOR)電催化劑的研制。目前已有研究表明，Pd與Zn、Ni、Sn、Co、Cu、Ge等賤金屬(M)合金化，構建Pd-M雙位點，比純Pd位點更有利于EOR且成本效益更好。然而，這種雙位點的優異活性通常被認為是賤金屬調節鈀的電子結構或協同參與反應的結果，這一模糊的作用原理已成為開發先進的EOR電催化劑的主要障礙。此外，為了充分發揮Pd-M雙位點中心的性能優勢，提高它們的暴露性和均一性至關重要，當前通常采用溶劑熱方法去合成小尺寸的金屬間化合物，該方法難以避免殘留的表面活性劑覆蓋雙位點而影響它們在EOR中的性能表現。

最近，我?；膶W院張劍老師課題組與清華大學王定勝課題組和中國農業大學孫文明課題組合作開發出一種Zn蒸氣捕獲-碳氮材料限域的策略精準構建出暴露且均勻的Pd-Zn雙位點電催化劑（PdZn/NC@ZnO），在堿性條件下實現了EOR的高效進行。通過合成方法的控制，他們在相同的載體上同時構建出具有Pd₁單原子位點(Pd₁/NC@ZnO)和Pd-Pd純金屬位點（Pd_n/NC@ZnO）的電催化劑進行對比探究。結果表明，在相同的EOR反應條件下，Pd-Zn雙位點催化劑的質量活性遠遠優于Pd-Pd純金屬位點和Pd₁單原子位點催化劑，甚至超過商業Pd/C約 23倍，而本征活性是商業Pd/C的37倍。在穩定性測試中，該Pd-Zn雙位點還體現出優異的結構穩定性。另外，通過實際的堿性膜燃料電池測試，該Pd-Zn雙位點催化劑的質量歸一化能量密度依然高于商業Pd/C約23倍。他們結合實驗驗證和DFT計算手段，證明了該工作的EOR反應中生成的主要產物為乙酸，而Pd-Zn雙位點有利于以較低的反應能量吸附乙醇和氫氧根離子，從而改變了EOR反應的路徑，相對于Pd-Pd純金屬位點和Pd₁單原子位點，能顯著降低反應能壘，這是其具有顯著活性優勢的主要原因。

此項工作以《Construction of Pd-Zn Dual Sites to Enhance the Performance for Ethanol Electro-Oxidation Reaction》近期發表在Nature Communications(Pub Date:2021-9-06, DOI:10.1038/s41467-021-25600-9)上，張劍副教授為通訊作者。

Nature Communications為國際綜合類頂級期刊，2021年影響因子：14.919。