核壳结构铂基金属间化合物是质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应的核心高性能催化剂，但传统合成方式依靠热力学平衡调控，需要长时间高温退火、酸洗、二次退火多步流程，制备流程繁琐且难以精准调控原子尺度表层结构。长时间高温处理易引发颗粒熟化、金属相分离，酸洗步骤还会造成铂壳厚度不均、界面电子与应变效应难以精准调控，同时常规管式炉、持续焦耳加热等平衡合成手段只能得到稳定 L1₂型 Pt₃Fe 合金相，无法一步生成有序金属间核 - 铂薄壳结构。严重限制催化剂活性、稳定性的同步提升，也难以实现多组分多元核壳金属间催化剂的拓展制备，亟需一种脱离热力学平衡限制、超快且具备原子级结构调控能力的全新合成方法。本实验中使用的焦耳加热设备为：
深圳焦耳智控科技有限公司 研发的HTS焦耳超快加热装置
天津大学胡文彬、丁佳、吴忠教授团队，联合北京大学周继寒研究员、香港城市大学刘彬教授团队，提出非平衡瞬态组装（TA）策略。依靠周期性热脉冲驱动材料不断经历高能瞬态结构演化，实现秒级一步合成原子精度铂薄壳金属间催化剂 Pt@PtFe-i。以Pt-Fe体系为例，首轮热脉冲依靠过热效应选择性挥发部分 Fe 原子形成含有大量空位的无序Pt₃Fe颗粒，后续热脉冲逐步诱导 Pt 向表面偏析、内部原子有序化，最终生成 L1₀型有序 PtFe 金属间结构。脉冲升温速率可灵活调节 Fe 挥发量，精准控制 1–6 层不同厚度铂壳，该合成路线无需酸洗、长时间退火，且具备普适性，可拓展至多主族、多过渡金属、高熵核壳金属间纳米晶体系；原子断层成像、同步辐射 EXAFS 表征证实铂壳存在配位依赖压缩应变，理论计算表明应变可优化氧吸附能，大幅提升位点活性。最优三层铂壳 Pt₃L@PtFe-i 半波电位达 0.951 V，质量活性是商业 Pt/C 的 16 倍，低铂载量 0.1 mg cm⁻²下，氢空工况下燃料电池峰值功率密度可达 1.25 W cm⁻²，3 万次耐久循环后峰值功率仅衰减 3.2%，各项性能全面超过美国能源部商用指标，同时该工艺可实现克级规模化制备，适配卷对卷工业化生产。
该成果以“ Transient assembly of precision-tuned platinum-skin intermetallic catalysts for fuel cells”为题发表在《 Science 》期刊上。
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对比传统热力学多步合成与本研究瞬态脉冲一步法流程，传统工艺需数小时退火 + 酸洗再退火，脉冲法仅需数秒；B1/B2/B3 分别为 1 次、10 次、20 次脉冲后的 HAADF 图像，直观展示从缺陷无序合金、初步核壳到完整有序 L1₀核壳结构的演化过程；C 对比管式炉、持续焦耳加热、脉冲瞬态组装三种路径的体系能量变化，证明仅周期性脉冲可稳定维持高能中间态并生成目标核壳；D、E 为Pt@PtFe-i整体与原子级分辨率 STEM 图像，清晰区分 Pt 外壳与有序 PtFe 内核；F 内核与外壳 FFT 图谱验证两相晶型；G 小波变换 EXAFS 图谱证实 Pt-Fe 近邻配位、Pt-Pt 键长收缩，证明界面压缩应变存在。展示脉冲升温速率对铂壳层数的精准调控能力，A 为不同升温速率下的脉冲升温程序；B 为不同升温速率下金属熔体和蒸气的非平衡压力-温度图，升温速率越高 Fe 挥发越显著；C 拟合铁损失比例与升温速率指数关联曲线；D、E 为不同升温速率对应产物 STEM，实现 0–6 层铂壳连续调控；F 统计不同壳层样品 Pt/Fe 原子比例，与理论核壳模型匹配；G 罗列该方法可合成的多元金属元素半径、熔点、晶型范围，体现方法通用性。催化剂电化学与燃料电池性能，A 为不同铂壳催化剂氧还原 LSV 曲线，三层铂壳性能最优；B 半波电位与比活性达到领先水平；C 与已报道金属间催化剂做耐久性横向对比；D 单电池铂基质量活性远超 DOE 标准；E 氢氧、氢空电池极化与功率曲线；F 主流文献峰值功率对标；G 展示 9 万次循环极化曲线；H 统计 3 万次循环后功率与电压衰减；I 汇总活性、稳定性多项指标与美国能源部目标对比，全面达标。原子尺度活性位点与催化机理解析，A 统计表层 Pt 配位数分布；B 区分不同晶面原子分布；C 沿表层至内核统计 Pt-Pt 键长，证实逐层压缩应变；D、E 不同配位数 Pt 原子键长统计；F 铂壳压缩应变分布示意图；G 氧吸附能等高图，证明应变调控可将大量位点优化至最优活性区间；H 高活性原子三维映射，约 52%–58% 表层 Pt 具备优异氧还原催化能力。本研究建立基于周期性热脉冲的非平衡瞬态组装合成策略，突破传统热力学平衡合成的固有缺陷，无需酸洗与长时间热处理，在数秒内一步制备原子层厚度可控的铂薄壳金属间核壳催化剂。依靠脉冲诱导 Fe 选择性挥发、Pt 表面偏析与金属间有序化同步完成，可灵活调控 1 至 6 层铂壳厚度，且能拓展至高熵、多主族多元核壳金属间纳米晶。原子表征与理论计算共同揭示铂壳配位相关压缩应变能够优化氧中间体吸附能，大幅提升氧还原活性位点占比，最优三层铂壳催化剂兼具超高半波电位、质量活性与超长耐久度。搭载该阴极的低铂载质子交换氢空燃料电池峰值功率优异，老化衰减极低，全面满足商用燃料电池性能指标，同时该合成路线低成本、易放大、适配工业卷对卷生产，为精准构筑复杂层状贵金属纳米催化剂提供全新非平衡制备范式，对燃料电池低铂催化材料产业化具有重要指导价值。