宏观块材铂是一种极其贵重的金属，以其优异的催化性能和超强的化学稳定性而闻名。

• 卓越的催化活性: 铂是元素周期表中催化性能最优异的元素之一，能够高效催化大量的化学反应。
• 极高的化学惰性: 铂的化学性质比金更稳定，在任何温度下都不与空气中的氧气反应，并且不溶于单一的强酸。

当铂以三维树枝状的形态存在时，其由高度开放的结构和巨大的比表面积主导的纳米效应变得尤为突出，使其成为一种近乎完美的催化剂结构。

• 巨大的比表面积与活性位点可及性: 这是树枝状铂纳米晶最核心、最重要的特性。其高度分支、开放的三维结构，使其具有极大的电化学活性表面积（ECSA），远超同等质量的实心颗粒。更重要的是，几乎所有的催化活性位点都暴露在表面，并且可以被反应物分子无障碍地接触，从而最大化了催化剂的原子利用效率。
• 改善的传质性能: 树枝状结构天然形成了内外贯通的多孔通道，极大地促进了反应物向内扩散和产物向外扩散的速率，有效解决了传统负载型催化剂中的传质限制问题。
• 高密度缺陷位点: 树枝状结构的分支连接处和尖端富含大量的晶界、台阶、扭结等低配位数原子缺陷。这些高能量位点通常是催化反应的真正活性中心，因此树枝状结构通常表现出极高的本征催化活性。

对于铂这种极其昂贵的催化材料，通过与其它（通常是更廉价的）过渡金属形成合金，是降低成本和提升性能的最核心策略。将合金化与树枝状结构相结合，可以创造出性能极致的催化剂。

目标: 将一种或多种其它金属原子（如Fe, Co, Ni, Cu, Pd, Ru）引入铂的树枝状骨架中，形成合金纳米晶。

• 性能提升机理:
  • 协同效应: 合金化带来的配体效应和应变效应，可以极大地优化铂原子的d带电子结构，提高其本征催化活性。
  • 结构优势: 树枝状结构提供的巨大比表面积和优异传质通道，可以将合金化带来的性能提升发挥到极致。
• 典型应用: Pt-Pd, Pt-Cu, Pt-Ni等树枝状合金纳米晶，是目前在甲醇氧化反应（MOR）和氧还原反应（ORR）中性能最高的电催化剂之一，其质量活性可达商业碳载铂催化剂的数倍甚至数十倍。

树枝状铂纳米晶（PtNDs）是电催化领域最具潜力的下一代催化剂结构，其独特的结构优势使其在燃料电池等关键能源技术中展现出无与伦比的性能。

与负载在碳粉上的传统0D铂纳米颗粒催化剂相比，无载体的树枝状铂纳米晶具有显著优势。

• 超高的质量活性: 树枝状结构极大地提高了铂原子的利用效率（高ECSA）和本征活性（高缺陷密度），因此其单位质量的催化活性（质量活性）远高于传统的碳载铂催化剂。
• 卓越的稳定性: 传统催化剂在燃料电池的苛刻工作条件下，面临颗粒团聚和碳载体腐蚀两大衰减机制。而无载体的树枝状铂纳米晶从根本上消除了碳载体腐蚀的问题，其互联的骨架结构也使其具有比分散颗粒更高的抗团聚能力，因此具有无与伦比的催化稳定性和使用寿命。
• 优异的抗CO中毒能力: 树枝状结构开放的通道有利于反应中间产物（如CO）的脱附和扩散，同时其高缺陷位点也有利于CO的氧化去除。因此，树枝状铂或铂合金纳米晶在甲醇氧化反应（MOR）中表现出卓越的抗CO中毒能力。

树枝状铂纳米晶（PtNDs）不适用于光学成像。然而，其卓越的电催化活性和巨大的比表面积，使其在电化学生物传感领域具有无与伦比的应用价值。

由树枝状铂纳米晶构成的三维多孔电极是构建高灵敏度、高稳定性电化学生物传感器的理想平台。

• 巨大的有效表面积: 树枝状铂纳米晶电极的有效表面积远大于平面的二维电极，因此可以固定更多的生物识别分子（如酶、抗体、DNA），从而显著放大电化学信号，提高传感器的灵敏度。
• 优异的电子传输与传质: 树枝状铂纳米晶本身优异的导电性及其开放的多孔结构，能够同时保证电子信号的快速传递和待测物分子的快速扩散，实现传感器的快速响应。
• 卓越的催化活性与稳定性: 树枝状铂纳米晶本身对许多生物小分子（如过氧化氢H₂O₂, 葡萄糖）就具有极高的电催化活性，可以直接用于无酶传感器的构建。其高化学稳定性也保证了传感器的长期稳定性和可重复使用性。

树枝状铂纳米晶（PtNDs）在治疗领域的应用独树一帜，主要利用其作为高效“纳米酶”来调节细胞内的氧化还原稳态。

利用PtNDs的多重纳米酶活性，可以清除体内过量的活性氧（ROS），用于治疗与氧化应激相关的疾病。

• 多重酶模拟活性: PtNDs不仅具有类过氧化物酶活性，还被证明具有类过氧化氢酶（Catalase-like）和类超氧化物歧化酶（SOD-like）的活性。
  • 类过氧化氢酶: 可将有毒的H₂O₂分解为无害的O₂和H₂O。
  • 类超氧化物歧化酶: 可清除剧毒的超氧阴离子自由基（•O₂⁻）。
• 治疗应用: 这种清除ROS的能力，使其在治疗帕金森症、阿尔兹海默症、缺血再灌注损伤等氧化应激相关疾病方面展现出巨大的应用潜力。其极高的比表面积和缺陷密度使其纳米酶活性远高于其它形貌的铂纳米颗粒。

元素铂（Pt）本身被认为是生物相容性极好、化学性质稳定的材料。然而，当其以纳米颗粒形态存在时，其生物安全性是一个需要综合评估的复杂问题。

• 氧化还原稳态的干扰: 这是PtNDs毒理学评估中最核心、最独特的考量。PtNDs极高的催化活性是一把双刃剑。它可能过度消耗细胞内正常的、用于信号传导的ROS，从而干扰细胞内精密的氧化还原信号网络，引发潜在的毒性。
• 尖锐分支的物理损伤风险: PtNDs的尖锐分支，在与细胞膜相互作用时，可能会通过物理穿刺的方式破坏细胞膜的完整性，导致细胞内容物泄漏和细胞死亡。

• 生物持久性: 与金和银类似，PtNDs在体内是不可生物降解的，存在长期蓄积于肝、脾等器官的风险。
• 离子释放: 纳米颗粒由于其高表面能，仍可能在复杂的生理环境中微量溶解，释放出铂离子。铂离子及其络合物具有已知的细胞毒性、肾毒性和致敏性。

高质量的树枝状铂纳米晶的合成，通常依赖于在溶液中通过动力学控制来实现的非晶体平衡生长。

这是制备树枝状铂纳米晶最核心、最主流的方法。

• 原理:
  1. 反应体系: 在水溶液中，将铂的前驱体（通常是H₂PtCl₆）在室温下，用一种强还原剂（通常是硼氢化钠NaBH₄或L-抗坏血酸AA）快速地还原。
  2. 无稳定剂或弱稳定剂: 与合成形貌规整的纳米晶（如方块、八面体）不同，树枝状结构的形成通常在没有或只有弱稳定剂（如柠檬酸钠）存在的条件下进行。
  3. 扩散限制聚集 (DLA) 模型: 在快速还原的条件下，大量的铂原子被瞬间生成，反应处于远离热力学平衡的动力学控制区。新生成的铂原子或小团簇会以随机布朗运动的方式在溶液中扩散，当它们与已形成的晶核碰撞时，会立刻不可逆地附着在上面。这种“碰上就长”的生长模式，会导致优先在晶核的凸出部分（如角、边）生长，从而形成自相似的、分形的树枝状结构。
• 形貌调控: 通过精确地调控还原剂的加入速率、反应温度和前驱体浓度等参数，可以方便地控制树枝状铂纳米晶的最终尺寸和分支密度。

对树枝状铂纳米晶（PtNDs）的精确表征是评估其催化性能的关键。对其电催化活性和三维形貌的表征尤为重要。

• 电化学测量: 这是评价铂电催化剂性能的金标准。
  • 循环伏安法 (CV): 通过测量铂在酸性电解液中氢吸脱附峰的电量，可以精确计算其电化学活性表面积（ECSA），这是评价催化剂利用率的核心参数。树枝状铂通常具有极高的ECSA值。
  • CO溶出实验: 通过电化学氧化预吸附的CO，可以进一步表征其表面的活性位点，并评估其抗CO中毒的能力。
  • 旋转圆盘电极 (RDE): 结合线性扫描伏安法（LSV），可以精确测量催化剂对特定反应（如MOR, ORR）的质量活性和面积比活性。

• 形貌与尺寸: 透射电子显微镜 (TEM) 和 扫描电子显微镜 (SEM) 是直接观察PtNDs三维树枝状形貌的金标准。通过这些图像，可以评估其尺寸、分支密度和结构的开放性。

树枝状铂纳米晶的表面工程是其催化应用中至关重要的一环，其核心任务是实现“洁净”的催化表面并与其他材料复合以实现协同效应。

合成过程中使用的弱稳定剂（如柠檬酸根）会吸附在铂表面，覆盖催化活性位点，影响其催化性能。

• 配体去除: 在将催化剂用于催化反应之前，通常需要进行“清洗”步骤以去除这些表面吸附的分子。常用的方法包括：
  • 热处理: 在惰性或还原性气氛下，通过高温退火将有机物分解。
  • 电化学清洗: 通过在电解液中进行多次循环伏安扫描，可以氧化去除表面的有机物。

• 负载于导电基底: 为了在电极上使用，通常需要将预先合成好的树枝状铂纳米晶负载到高比表面积的导电碳材料（如石墨烯、碳纳米管）上。这既能保证良好的导电性，又能防止纳米晶在电极制备过程中的团聚。
• 表面修饰与异质结构: 可以在树枝状铂的骨架上选择性地沉积第二种金属（如Ru, Au），形成Pt-M异质结构，以通过双金属协同效应进一步提高其催化活性或抗中毒能力。