归国学者发现新型催化剂，可耐受10000次充放电循环
'优秀人才回国是历史的必然'，谈及 9 年前跟随原中科大校长、现中科院院长侯建国院士回国，曾杰显得十分坚定。2012 年，辞去美国的工作后，他来到中国科学技术大学担任教授至今。
图 | 曾杰正在指导学生（后排左一为曾杰）
2021 年 1 月 1 月新年伊始，他迎来团队的首篇顶刊论文，其团队联合该校鲍骏研究员，发现一种新型氢氧燃料电池阴极催化剂，这种催化剂具有超立方体框架结构，在氢氧燃料电池阴极反应中表现出高活性和高稳定性，这一结构特性给电催化剂的设计提供了新思路。
日前，该成果以《Pd–Pt 超立方体用于氧还原反应》（Pd–Pt Tesseracts for the Oxygen Reduction Reaction）为题发表在《美国化学会志》（JACS）上。
曾杰告诉 DeepTech，最初进行该研究的原因在于：燃料电池可将化学能转化为电能，是火力发电设备的极佳替代物，但由于成本高和系统复杂，目前仅用于部分特殊用途，距离大规模商用较远。在少有的可商用燃料电池中，铂基催化剂是这类电池的阴极氧还原催化剂，但当前催化剂的稳定性和活性都不高，电池的充放电循环次数和输出功率都会受到制约，这直接给电池成本带来挑战。
据曾杰表示，本次研究的灵感来自三维立方体向四维超立方体的演变，受此启发，他把钯铂合金立方体进行氧化刻蚀，再通过精准调控，把多余的钯原子去除，然后将剩余的钯铂原子重排，最终得到钯铂合金超立方体。
图 | 具有四维结构的超立方体（来源：曾杰）
据介绍，在氢氧燃料电池阴极催化测试中，超立方体、八足体和立方体的单位质量活性，分别达到商用铂碳催化剂的 4.1 倍、11.6 倍和 8.3 倍。
图 | 几种钯铂框架结构催化剂和商用铂碳催化剂的单位质量活性对比
始于四维结构，落脚燃料电池
之所以从铂和钯入手，是因为铂是当下做氧还原反应时最理想的催化剂材料，钯可作为替代金属在里面起到调控作用，且价格也比铂便宜。
空心框架结构具有高比表面和高活性位点占比的优点，可极大提升原子利用率，进而提升其催化性能，故此是最有潜力的催化剂结构之一。
其中，超立方体结构正是一种极为特殊的空心框架结构，并且该结构具备高活性的晶面。因此，曾杰通过刻蚀钯铂合金纳米立方体的方式，得到了超立方体结构。
如果只用一种金属，很容易出现要么金属全部被挖掉，要么完全挖不动的情况，也很难做出超立方体结构。
而铂和钯可以形成任意比例的合金成分，并且钯和铂的化学性质不一样，钯很容易被挖掉，铂不太容易被挖掉，这样就可把大部分钯挖掉，不仅更容易获得框架结构，还能留下更多以铂为基准的钯铂合金，催化氧还原反应也更易进行。
图 | 钯铂超立方体、八足体、立方框架结构纳米晶的表征
钯铂催化剂的潜力表现：兼具高活性和高稳定性
曾杰解释称，催化剂一般要具备三大因素：活性、选择性和稳定性，但有些催化剂往往只具备活性和稳定性。
催化剂表面由原子构成，活性较高时，原子有时会处于亚稳态，但稳定性可能欠缺；而稳定性较好时，活性或会出现欠缺，这种矛盾很难解决。
以日常事物来打比方说，砖头的稳定性很好，但是活性较差；笼子的活性很好，但是稳定性较差。
而钯铂超立方体催化剂兼具高活性和高稳定性，从结构上可消解活性和稳定性的矛盾。而曾杰团队之所以能解决该问题，在于超立方体结构 “浑身” 都有活性，高活性棱边就像房梁一样，能把整个结构撑起来，稳定性也由此提高，这也是本次研究的最大亮点。
以日常事物来打比方说，砖头的稳定性很好，但是活性较差；笼子的活性很好，但是稳定性较差。而曾杰团队之所以能解决该问题，在于超立方体结构 “浑身” 都有活性，高活性棱边就像房梁一样，能把整个结构撑起来，稳定性也由此提高。
谈及本次研究的灵感，曾杰表示，最开始团队在维基百科上看到一些几何结构，如柏拉图多面体、亚里士多德多面体等，而这些都是三维结构。
图 | 柏拉图多面体（来源：维基百科）
他们无意中发现，基于三维结构还会延伸出四维结构，四维结构可在每个方向都展出三维结构，这种结构看起来是一个科幻感十足的空间几何结构。
但该结构只是一个数学模型，它和催化没有太大关系。不过该团队还是就该结构和材料的关系，做了探索性讨论。曾杰判断，如果把这种结构做成纳米材料，材料的原子利用率可能和空心框架材料一样高。
这样判断的理由是，把多面体挖空后，就可呈现出四面八方的空腔，即仍然是框架结构，每个方向可保留一些特定晶面，因此原子利用率非常高。而催化剂天然喜欢原子利用率高的东西，由于曾杰使用的钯和铂都是贵金属，原子利用率比较高，这不仅能降低成本，还可提高催化剂活性。
另一方面，该团队还猜想，在同样原子利用率的情况下，四维结构跟之前发现的三维空心框架结构、以及空心壳结构之间的区别就在于它的脊，即四维结构拥有立体的梁。这样的好处是，不仅催化利用率高，还能支撑整个立体结构。
他们选择的立方体结构，其内部非常有规律，通过立方体的 6 个面，沿着这些面的方向去挖，就能挖出四维超立方体材料。
具体实现时，曾杰使用刻蚀法，把结构设计出来后，先把它做成一个充实的立方体，然后选择性地朝着某些方向去挖，把那些梁给挖出来，这种方法叫做刻蚀。
用此方法获得的催化剂，在电化学测试环境中，表现出极高的结构稳定性，经过 10000 次燃料电池循环充放电测试，催化剂性能未出现明显下降。概括来说，该研究拓宽了对蚀刻机理的理解，也为新型框架结构的催化设计提供了有效思路。
曾杰的就职单位，也是自己的母校——中国科学技术大学，该校曾培养出崔屹等材料大牛，两者也是同校校友。而前者对中学生科普，也颇有托付。
跟随恩师回中国，奔波各地做科普
2008 年，曾杰在中国科大完成博士学业，赴美继续从事科研，师从著名纳米科学家夏幼南教授，先后任博士后和研究助理教授。但从出国起，他就怀着一颗 “归国之心”。