宏观块材Pt-Co合金是一种著名的高性能催化剂和磁性材料。

• 卓越的催化性能: Pt-Co合金是研究最深入、性能最优异的铂基双金属催化剂之一，特别是在燃料电池的氧还原反应中。
• 优异的磁性: Pt-Co合金（特别是PtCo相）在形成有序相后，具有极高的磁晶各向异性能，是性能优异的永磁材料。

当Pt-Co在纳米尺度形成合金时，其催化性能由于协同效应被极大地放大，这是其所有应用的核心。

• 协同增强的催化活性: 这是Pt-Co纳米颗粒最核心、最重要的特性。
  • 配体效应: 钴原子的引入会改变铂原子的d带电子结构（d带中心下移），这会削弱铂对含氧中间体（如OH*）的吸附能。在氧还原反应（ORR）中，Pt-OH*的脱附是速控步骤之一，因此削弱其吸附能可以极大地提高催化活性。
  • 应变效应: 钴原子比铂原子小，会导致铂晶格产生压缩应变。这种应变同样会改变铂的d带中心，进一步优化其催化性能。
• 相变与稳定性: 与FePt类似，化学合成的Pt-Co纳米颗粒是化学无序的A1相。通过高温退火，可以使其转变为化学有序的L1₂相（Pt₃Co）。这种有序的金属间化合物结构具有比无序合金高得多的催化稳定性和抗腐蚀能力。

对于Pt-Co合金纳米颗粒，其性能优化的核心挑战是进一步提升其催化活性和稳定性。通过引入第三种金属形成三元合金是实现这一目标的主要策略。

目标: 将第三种金属原子（如Ni, Fe, Cu）掺入Pt-Co的晶格中，形成三元合金纳米颗粒，以进一步精细调控其电催化性能。

• 性能提升机理: 第三种金属的引入可以进一步通过配体效应和应变效应，对铂的d带电子结构进行更精细的调控，以期获得最优的催化活性。
• 典型应用: 在质子交换膜燃料电池中，Pt-Co-Ni等三元合金纳米颗粒是目前性能最高的氧还原反应（ORR）催化剂之一，其活性和稳定性甚至优于Pt-Co双金属合金。

Pt-Co合金纳米颗粒是现代电催化领域，特别是燃料电池技术中，当之无愧的“王者”，是目前商业化和研究中最核心的阴极催化剂。

这是Pt-Co纳米催化剂最重要、最核心、无法被替代的应用，是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的心脏。

• 挑战: PEMFC的效率、成本和寿命主要由其阴极缓慢的ORR动力学和催化剂的稳定性决定。
• Pt-Co的优势:
  • 超高的催化活性: 由于钴对铂的电子和结构修饰作用，Pt-Co合金纳米颗粒的质量活性和面积比活性可以达到纯铂催化剂的10倍以上，远超美国能源部（DOE）为燃料电池汽车商业化制定的技术指标。
  • 卓越的催化稳定性: 通过高温退火形成化学有序的L1₂相，并结合后续的酸刻蚀处理，可以获得兼具超高活性和超高稳定性的催化剂，能够承受燃料电池启停过程中的苛刻电化学循环。

铁铂合金纳米颗粒（Pt-Co NPs）独特的超顺磁性，使其在磁共振成像（MRI）领域具有重要的应用潜力。

超顺磁性纳米颗粒可以显著影响其周围水分子的质子弛豫时间，从而增强MRI图像的对比度。

• T₂造影剂: 超顺磁性的A1相Pt-Co纳米颗粒能够极大地缩短质子的横向弛豫时间（T₂），导致信号强度显著降低，从而在T₂加权图像上产生负性（变暗）的对比度增强效果。
• 优势: 相比于临床上常用的超顺磁性氧化铁（SPIOs），Pt-Co纳米颗粒具有更高的饱和磁化强度，因此有潜力成为一种更高灵敏度（具有更高r₂弛豫率）的T₂造影剂。

铂钴合金纳米颗粒（Pt-Co NPs）在治疗领域的核心应用是基于其独特的磁学性质，用于磁感应热疗（磁热疗）。

这是一种利用磁性纳米颗粒在交变磁场中产热来烧蚀癌细胞的物理治疗方法。

• 原理:
  1. 将超顺磁性的Pt-Co纳米颗粒通过静脉注射，使其在肿瘤部位富集。
  2. 将患者置于一个产生高频交变磁场（AMF）的设备中。
  3. 肿瘤内的Pt-Co纳米颗粒通过尼尔/布朗弛豫的方式，高效地将电磁能转化为热量。
  4. 产生的热量使肿瘤局部温度快速升高至42°C以上，从而选择性地、精准地烧蚀癌细胞。
• 优势: Pt-Co纳米颗粒的高饱和磁化强度，使其成为一种高效的磁热疗试剂。

铂钴合金纳米颗粒（Pt-Co NPs）的生物安全性是一个需要重点关注的问题，其毒性主要来自于两种组分离子的协同释放。

• 核心毒性机制: Pt-Co NPs对哺乳动物细胞的毒性，主要来自于其在生理环境中（特别是在酸性的溶酶体中）缓慢氧化溶解并释放出的铂离子（Pt²⁺/Pt⁴⁺）和钴离子（Co²⁺）。
• 协同毒性:
  • 铂离子: 具有已知的细胞毒性、肾毒性和致敏性。
  • 钴离子: 能够诱导剧烈的氧化应激，并且钴化合物已被IARC列为2B类致癌物（可能对人类致癌）。

通过表面工程，在Pt-Co纳米颗粒表面包覆一层致密的、生物相容的保护壳（如金、二氧化硅、石墨烯），是隔绝其与生物环境接触、阻止离子释放、从而降低其毒性的最有效策略。

高质量、尺寸和组分均一的铂钴合金纳米颗粒的合成，通常是一个多步过程，核心在于实现从无序到有序的相变。

这是一个典型的两步法，旨在获得兼具高活性和高稳定性的有序合金催化剂。

• 第一步：化学合成无序A1相:
  • 原理: 在高温有机溶剂（如油胺、油酸、苄醚）中，在惰性气氛保护下，通过共还原或热分解的方法，将铂前驱体（如Pt(acac)₂）和钴前驱体（如Co₂(CO)₈或Co(acac)₂）同时转化为金属原子，并自组装成化学无序的A1相合金纳米颗粒。
  • 稳定剂: 油胺（OAm）和油酸（OA）等长链有机分子作为稳定剂，控制其尺寸和形貌，并防止其氧化和团聚。
• 第二步：热退火诱导有序化:
  • 原理: 将负载在碳载体上的A1相Pt-Co纳米颗粒在高温（通常>600 °C）、惰性或还原性气氛中进行热退火。在高温下，Pt和Co原子发生扩散重排，形成化学有序的L1₂相（Pt₃Co）。
  • 挑战: 高温退火极易导致纳米颗粒的团聚和烧结，这是该领域面临的最大挑战。

对铂钴合金纳米颗粒（Pt-Co NPs）的精确表征是评估其催化性能的关键。对其电催化活性和晶体结构的表征尤为重要。

• 电化学测量: 这是评价ORR催化剂性能的金标准。
  • 循环伏安法 (CV): 通过测量氢吸脱附峰的电量，可以精确计算其电化学活性表面积（ECSA）。
  • 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的质量活性和面积比活性，这是评价ORR性能的两个最核心参数。
  • 加速稳定性测试 (ADT): 通过快速的电位循环扫描，模拟燃料电池的启停过程，以评估催化剂的长期稳定性。

• 形貌与尺寸: 透射电子显微镜 (TEM) 是直接观察Pt-Co NPs尺寸、形貌和分散性的金标准。
• 晶体结构与有序度: X射线衍射 (XRD) 是区分A1相和L1₂相的最关键技术。与A1相的FCC结构相比，L1₂相由于有序化，会出现额外的超晶格衍射峰（如(100), (110)）。通过超晶格峰与基线峰的强度比，可以半定量地计算其化学有序度。
• 元素组成与分布: 配备有能量色散X射线谱(EDX)的扫描透射电子显微镜 (STEM-EDX) 可用于确认其元素组成和在单个颗粒尺度上的分布均匀性，以及酸刻蚀后表面Pt-skin的形成。

铂钴合金纳米颗粒的表面工程是其催化应用中至关重要的一环，其核心任务是形成稳定的Pt-skin表面。

这是在热退火形成有序L1₂相之后，进一步提升其催化活性和稳定性的关键步骤。

• 原理: 将有序的Pt-Co纳米颗粒置于酸性溶液中（如硫酸、高氯酸）进行电化学或化学刻蚀。由于钴比铂更活泼，表面的钴原子会被选择性地溶解掉，而剩余的铂原子会发生重构，在颗粒表面形成一层1-3个原子层厚的、纯铂的、且受到下层合金晶格压缩应变的“铂皮”（Pt-skin）或“铂骨架”（Pt-skeleton）结构。
• 优势: 这种Pt-skin结构是理想的ORR催化表面：
  • 高活性: 纯铂的表面保证了催化反应的发生，而其下层合金施加的压缩应变和配体效应则使其具有比纯铂高得多的本征催化活性。
  • 高稳定性: 表面贫钴，极大地抑制了钴在催化过程中的溶出，从而保证了催化剂的长期稳定性。