近日，中国科学院广州能源研究所研究员王晨光、副研究员罗密团队成功构建了一种具有动态自优化特征的L10-PtCo@Co-shell核壳催化剂。该催化剂通过有序L10-PtCo金属间化合物核与超薄Co富集壳层的协同设计，实现了工作过程中可控的结构演化。相关成果发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。
Operando-XAFS测试示意图。研究团队供图
论文第一作者罗密介绍，研究团队采用操作态X射线吸收精细结构谱（operando XAFS）、原位拉曼光谱及密度泛函理论（DFT）计算，从原子尺度揭示了工作条件下Co原子的迁移、表面合金化及活性位点演变规律，阐明了“稳定有序核—动态重构表面”的协同作用机制。
质子交换膜水电解因高效率和高电流密度优势备受关注，但其酸性运行环境对催化剂的活性和结构稳定性提出严苛要求。传统催化剂设计多聚焦于维持静态稳定结构，然而实际工况下，元素迁移、原子重排和表面重构难以避免。这些动态变化既可能引发结构失活，也可能催生更有利的工作态结构。因此，捕捉催化剂在真实工作条件下的动态演化并建立其与性能的关联，成为电催化领域的关键科学问题。
针对上述挑战，研究团队在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助下，提出“动态预催化剂”设计理念。他们构建了以有序L10-PtCo为核、Co富集层为壳的核壳结构，使稳定核与动态表面实现功能分工，在工作条件下发生可控重构。依托上海光源BL20U1线站，团队实时追踪了催化剂局域结构的变化。结果表明，随着工作电位的施加，Co-Pt配位数逐渐上升，而Co-Co配位数持续下降，表明表面Co原子逐步向颗粒内部迁移并与Pt形成更充分的异原子配位，表面由初始的Co富集状态演变为高度合金化的PtCo结构。结合原位拉曼光谱和DFT计算，进一步证实动态重构形成的Pt-Co邻位结构能够优化氢中间体的吸附行为，并促进反应动力学。
与此同时，理论计算显示L10-PtCo核具有较高的Co原子扩散能垒，可有效抑制Co的无序迁移和溶出，从而维持核结构的长程有序性。由此，催化剂在工作状态下形成了“动态重构表面-稳定有序核”的协同构型。
该研究表明，催化剂工作过程中的结构重构并不必然导致失活。通过合理设计初始非平衡结构，可将原本不可控的原子迁移转化为有方向、可利用的动态自优化过程，使催化剂从初始预催化形态逐步演化为更稳定、更高效的工作态结构。
该研究将催化剂设计理念从传统的“静态结构优化”拓展至工作条件下的“动态结构优化”，为深入理解真实反应环境中催化剂的结构演化与催化机制，以及指导高活性、高稳定性催化材料的理性设计提供了新思路。
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