在本文中，作者发现由五重孪晶的超小Ni纳米颗粒组成的催化剂可以通过应变效应单独调节HBE和OHBE。

实验和理论计算表明，在孪晶边界（TB）附近的拉伸应变显著增强了OHBE，由于独特的几何效应允许可调节的HBE，并且大大降低了特定位点的HBE，该催化剂具有106 mA mg_Ni^-1的高j_k,m值，是Ni/C的24.2倍。

具有五重孪晶Ni纳米颗粒阳极的氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）在H₂/O₂气体进料下提供805 mW cm^-2的峰值功率密度（PPD），这是迄今为止报道的Ni基电催化剂中最高的。

图1：示意图。展示了五重孪晶镍纳米颗粒如何有效促进氢氧化物交换膜燃料电池中的氢氧化反应。图中显示了五重孪晶结构产生的应变效应，能够独立调节氢结合能（HBE）和羟基结合能（OHBE），从而提高催化性能。

图2：五重孪晶的表征和应变分析。通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和X射线吸收精细结构（XAFS）分析，展示了五重孪晶镍纳米颗粒的形貌、孪晶界（TB）的密度和晶格应变情况。图中显示了五重孪晶镍纳米颗粒的高密度孪晶界和显著的晶格膨胀效应。

图3：电化学HOR和HEMFC性能。展示了五重孪晶镍纳米颗粒在氢氧化反应（HOR）中的电化学性能。图中显示了五重孪晶镍纳米颗粒的HOR极化曲线、Butler-Volmer图、表观交换电流密度和质量活性等参数，并与商业镍催化剂和铂催化剂进行比较。

图4：机理研究。通过原位X射线吸收光谱（XAFS）和氢-温度程序脱附（H-TPD）实验，揭示了五重孪晶镍纳米颗粒在HOR过程中的反应机理。图中显示了Ni K边X射线吸收近边结构（XANES）光谱、傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）光谱以及OHBE和HBE的变化情况。

图5：对HBE/OHBE和TB附近各种活性位点的应变效应的理论研究。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究了应变效应对HBE和OHBE的影响。图中展示了Ni（111）表面的吸附模型、HBE/OHBE随晶格应变的变化趋势、H 1s态和Ni d带的投影态密度（PDOS）以及五重孪晶镍纳米颗粒的模型和不同Ni-Ni键长的分布情况。

综上，作者研究了五重孪晶超小镍纳米颗粒在氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）中催化氢氧化反应（HOR）的性能。

通过实验和理论计算，发现五重孪晶结构产生的应变效应能够独立调节氢结合能（HBE）和羟基结合能（OHBE），从而显著提高镍的HOR活性。

通过研究制备的五重孪晶镍纳米颗粒催化剂具有优异的HOR性能，其质量活性是商业镍催化剂的24.2倍，且在HEMFC中实现了805 mW cm^-2的峰值功率密度，这是目前镍基电催化剂中最高的。

此外，该催化剂还展现出良好的长期循环稳定性，为非贵金属HEMFC的商业化迈出了重要一步。

High-Efficiency Hydrogen Oxidation for Hydroxide Exchange Membrane Fuel Cells Catalyzed by Fivefold-Twinned Nickel Nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed., 2025. https://doi.org/10.1002/anie.202511219.