堆積木的時候，按照積木的顏色、形狀，可以很容易將積木有規則地排列起來。在奈米世界，這樣的結果也是科學家們想要實現的事情，他們希望能夠得到規律排列的原子結構，從而對物質本質有更深刻的理解與認識。但是，他們不能像移動積木一樣，直接去移動原子。所以，如何實現原子的有序精準排列，是一件困擾科學家很久的事情。
雙金屬合金中，兩種金屬原子堆疊在一起，就會存在如何排序的問題。一般的合成方法得到的合金雖然具有確定的晶體結構，但兩種原子隨機佔據了晶格的不同格點，是顏色隨機的“積木堆”。這樣的結構也許會存在一些獨特的性質，但由於原子隨機排列的性質，難以建立準確的物理影象，會對基礎概念的深入理解帶來困難。
如何讓合金中的原子按照一定的規則有序排列？目前，一種可能的途徑是利用熱力學過程。在原子規律排列的結構中，原子之間具有更強的相互作用，這樣的結構更穩定，具有更低的能量。既然有序是一種更穩定的狀態，為什麼這樣的結構難以得到呢？這是因為合金從不穩定的無序狀態轉變為穩定的有序狀態，需要越過一個勢壘。這個勢壘像一個水壩，阻止了物質由無序狀態轉變為有序狀態。為了讓物質越過這個勢壘，就需要給無序排列的合金晶體提供能量。然而，高溫會讓奈米顆粒發生團聚，導致其尺寸變大，失去作為奈米顆粒的優勢。因此，合成小尺寸的奈米雙金屬原子有序合金困難重重。
最近，中國科學技術大學梁海偉教授課題組與合作者北京航空航天大學水江瀾課題組在《科學》上發表的最新成果，對這一困境提出一種解決方法。他們介紹了一種合成方法學，實現了在保持顆粒尺寸小於5奈米的同時，完成雙金屬原子的有序化過程，合成得到了小尺寸的雙金屬有序合金。他們實現這一目標的基礎是實現了硫摻雜碳載體的精準合成，這是該課題組在過去幾年中一直研究的課題。
由於該碳載體中摻雜的硫原子與金屬原子之間強烈的相互作用，能夠將金屬顆粒強有力地束縛在碳載體上，從而在高溫下仍然能夠保持顆粒的尺寸基本不變。利用這個載體，他們成功獲得了一系列的小尺寸鉑基雙金屬有序合金，建立了一個擁有46種鉑基合金的“材料庫”。透過對這一系列合金的電化學測試，觀察到表面應力與催化活性之間的線性關係。
這一工作解決了小尺寸有序合金的合成難題，成功研發出一系列高效能、低成本的鉑基氫燃料電池催化劑，對於推動氫燃料電池產業化、實現我國碳中和目標具有一定意義。
梁海偉表示，氫燃料電池是一種高效的清潔能源，在鉑基氫燃料電池與新能源汽車的發展中，如何降低鉑的用量是一個必須要面對的問題，而提高鉑催化劑的活性則是一種較為高效的方法。他們所探索的製備鉑基催化劑的方法是一種普適性方法，有望大幅降低鉑使用量，同時氫燃料電池效能仍能保持在目前世界先進水平。和商業鉑碳催化劑相比，他們所合成的鉑鎳合金催化劑的催化活性提高5倍以上。在鉑的使用量只有商業鉑碳催化劑的十分之一的情況下，他們所合成的鉑鈷合金催化劑仍然表現出與商業鉑碳催化劑相當的燃料電池效能。
來源：中國科學技術大學
