(a) SEM image of tetrahexahedral Pt nanocrystals (THH Pt NCs) and their surface structure; (b) Electrocatalytic activity towards formic acid oxidation on THH Pt NCs, Pt nanospheres and commercial Pt/C catalysts. 引自《Science》2007年316卷5825期732-735頁.

電催化劑是電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換、電合成和環(huán)境電化學(xué)監(jiān)測治理等重要領(lǐng)域的核心，其性能主要取決于化學(xué)組成、電子結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)．運(yùn)用單晶電極可以在原子排列層次研究表面結(jié)構(gòu)與性能的規(guī)律，進(jìn)而應(yīng)用于設(shè)計(jì)和研制高性能電催化劑．我校孫世剛教授研究團(tuán)隊(duì)的研究項(xiàng)目“電催化劑的表面結(jié)構(gòu)效應(yīng)、設(shè)計(jì)合成和反應(yīng)機(jī)理研究”通過對金屬單晶電極的系統(tǒng)深入研究，揭示了電催化劑的構(gòu)效規(guī)律，闡明了相關(guān)的電催化反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而取得了納米催化劑合成的重大突破．該項(xiàng)目榮獲2013年度國家自然科學(xué)獎二等獎，取得的成果主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1. 研制出一系列原子排列結(jié)構(gòu)不同的鉑單晶電極，針對燃料分子氧化等反應(yīng)，系統(tǒng)深入地研究了電催化劑的表面結(jié)構(gòu)效應(yīng)，揭示了呈開放表面結(jié)構(gòu)的高指數(shù)晶面具有高催化活性的規(guī)律，提出高指數(shù)晶面上由平臺和臺階原子組成的椅式結(jié)構(gòu)電催化活性位模型，發(fā)展了電催化的基礎(chǔ)理論，為高活性電催化劑的理性設(shè)計(jì)合成奠定了基礎(chǔ)．

2. 建立了居國際先進(jìn)水平的一系列原位紅外反射光譜方法和電化學(xué)-超高真空電子能譜，從分子水平指認(rèn)電催化反應(yīng)的中間體和產(chǎn)物，跟蹤反應(yīng)歷程，闡明

反應(yīng)機(jī)理；發(fā)現(xiàn)鉑表面各種氧化態(tài)的電催化功能，詮釋了鉑電極上醇燃料分子復(fù)雜氧化行為的本質(zhì)．

3. 創(chuàng)建了高指數(shù)晶面/高表面能金屬納米晶控制合成的電化學(xué)方法，克服晶體生長趨于最低表面能的熱力學(xué)限制，首次制備出高催化活性的二十四面體鉑納米晶，取得了納米催化劑合成的重大突破．在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高表面能的鉑、鈀、金、鐵等納米催化劑的理性設(shè)計(jì)合成和性能調(diào)控．研究工作開辟了高指數(shù)晶面/高表面能納米催化劑研究的新方向，促進(jìn)了電化學(xué)和納米材料合成等相關(guān)方向的發(fā)展．

二十四面體鉑納米晶的成果，2007年入選中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展和中國基礎(chǔ)研究十大新聞，被美國C&EN評為年度化學(xué)24項(xiàng)重大進(jìn)展之一，被英國Chemistry World選為年度化學(xué)40項(xiàng)最前沿研究之一，被《Science》專文評價為“納米催化劑合成的重大突破”．著名綜述類期刊《Accounts of Chemical Research》載文指出：“孫等人首次制備出高指數(shù)晶面鉑納米晶，引發(fā)了高指數(shù)晶面貴金屬納米粒子研究的熱潮”．