在清潔能源領域，燃料電池因其高效性和環保性而廣受關注，但陰極氧還原反應（ORR）動力學緩慢，限制了一些關鍵應用的拓展。近期，日本東北大學環境學院某團隊的采用電弧等離子體沉積系統-APD成功制備出高性能Pt基高熵合金（HEA）催化劑，在Pt/Cantor合金的(111)晶面上引入0.1 μM三聚氰胺分子后，催化活性提升約2倍。這歸因于三聚氰胺分子的精準吸附優化了表面電子結構，增強了ORR活性。與傳統材料相比， “表面分子修飾+高熵合金”的設計策略，實現了催化劑性能與耐久性的雙重提升。該項工作以Enhanced Oxygen Reduction Reaction Activity on the Melamine-Modified Pt-High-Entropy Alloy Single-Crystal Lattice Stacking Surface為題發表于ACS Catalysis上（2024 14 (15), 11512-11521）。
該團隊利用電弧等離子體沉積系統-APD，憑借其高精度、高均勻性和靈活性等超卓特質，在原子級精度上構建了Pt/Cantor合金催化劑晶體結構，實現了催化劑性能的突破性提升。除此之外，APD系統可以在1.5 nm到6 nm范圍內精確控制納米顆粒的直徑，不僅確保所制備催化劑的活性，更能實現產量的高效提升。值得一提的是，只要靶材是導電材料，APD系統就可以將其等離子體化，并且在金屬/半導體材料制備過程中，通過控制腔體氣氛，可以產生氧化物和氮化物薄膜。高能量等離子體可以沉積碳和相關單質體如非晶碳，納米鉆石，碳納米管等形成新的納米顆粒催化劑。
電弧等離子體沉積系統-APD
APD技術的關鍵優勢：
精準控制多層結構：APD能夠以原子層級精準控制材料厚度。在本研究中，APD技術成功沉積了4層單晶Pt層與10層Cantor合金，構建了穩定的“偽核殼”結構，大幅提升了催化劑的ORR活性。
純凈的真空環境：APD在超高真空（UHV）條件下運行，有效避免了外界雜質污染。這種純凈的環境為高熵合金的均勻沉積和穩定的表面結構提供了保證。
快速實現復雜多元合金：APD能夠高效沉積多元合金（如Cr-Mn-Fe-Co-Ni）并精準控制組分比例，從而制備出高性能的高熵合金，為復雜合金材料的研發開辟了新路徑。
高穩定性：在0.6~1.0 V的潛在循環負載下，該催化劑的晶體表面保持了超高穩定性。這不僅延長了燃料電池的使用壽命，也降低了材料的更換成本，進一步增強了APD技術在實際應用中的價值。
進展概述：
下圖表明，三聚氰胺濃度對Pt/Cantor合金催化劑的ORR活性和表面穩定性有顯著影響。Pt(111)晶面：當三聚氰胺濃度為0.1 μM時，能提升ORR活性并改善耐久性。Pt(110)晶面：三聚氰胺濃度較高時會對ORR活性產生負面影響，表明其在該表面的吸附可能導致催化劑的性能下降。
下圖為三聚氰胺添加過程中ORR電流密度的變化。第一輪（紅色）和第二輪（藍色）LVS曲線表明，表面修飾的三聚氰胺對ORR的影響顯著，且如果表面三聚氰胺預吸附，ORR活性會迅速下降。
下圖是經過5000次潛在循環負載后，Pt/Cantor合金催化劑在不同條件下（有無三聚氰胺修飾）的表面微結構變化。左側為Pt/Cantor/Pt(111)的HAADF-STEM圖，右側為Pt/Cantor/Pt(110)的HAADF-STEM圖，展示了不同條件下的表面粗糙度和納米島結構的變化。從圖中可以看出，三聚氰胺修飾后的催化劑表面保持較為平滑，相比無修飾的催化劑，其表面納米島的形成被有效抑制。
下圖為Pt/Cantor合金催化劑的表面形態變化示意圖。圖中展示了不同電解液和三聚氰胺修飾下的表面結構變化。不同條件下催化劑表面的形態演變，特別是三聚氰胺的修飾在防止Pt的溶解、減少HEA（高熵合金）元素的析出方面的作用。圖中的Z對比度和EDS分析結果揭示了表面修飾對防止合金元素溶解的顯著作用，進一步提高了催化劑的穩定性。
電弧等離子體沉積系統-APD這一前沿技術，不僅為燃料電池催化研究開辟了新路徑，也證明了精密材料制備技術對新能源領域的深遠影響。我們相信，APD技術將會持續推動能源材料從實驗室走向工業化，為構建綠色、可持續的未來社會貢獻力量。
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1、電弧等離子體沉積系統-APDhttp://www.dongsenyule.com/product/2017101967.shtml
