Demand on the practical synthetic approach to the high performance electrocatalyst is rapidly increasing for fuel cell commercialization. Here we present a synthesis of highly durable and active intermetallic ordered face-centered tetragonal (fct)-PtFe nanoparticles (NPs) coated with a "dual purpose" N-doped carbon shell. Ordered fct-PtFe NPs with the size of only a few nanometers are obtained by thermal annealing of polydopamine-coated PtFe NPs, and the N-doped carbon shell that is in situ formed from dopamine coating could effectively prevent the coalescence of NPs. This carbon shell also protects the NPs from detachment and agglomeration as well as dissolution throughout the harsh fuel cell operating conditions. By controlling the thickness of the shell below 1 nm, we achieved excellent protection of the NPs as well as high catalytic activity, as the thin carbon shell is highly permeable for the reactant molecules. Our ordered fct-PtFe/C nanocatalyst coated with an N-doped carbon shell shows 11.4 times-higher mass activity and 10.5 times-higher specific activity than commercial Pt/C catalyst. Moreover, we accomplished the long-term stability in membrane electrode assembly (MEA) for 100 h without significant activity loss. From in situ XANES, EDS, and first-principles calculations, we confirmed that an ordered fct-PtFe structure is critical for the long-term stability of our nanocatalyst. This strategy utilizing an N-doped carbon shell for obtaining a small ordered-fct PtFe nanocatalyst as well as protecting the catalyst during fuel cell cycling is expected to open a new simple and effective route for the commercialization of fuel cells.

A highly active and stable non-Pt electrocatalyst for hydrogen production has been pursued for a long time as an inexpensive alternative to Pt-based catalysts. Herein, we report a simple and effective approach to prepare high-performance iron phosphide (FeP) nanoparticle electrocatalysts using iron oxide nanoparticles as a precursor. A single-step heating procedure of polydopamine-coated iron oxide nanoparticles leads to both carbonization of polydopamine coating to the carbon shell and phosphidation of iron oxide to FeP, simultaneously. Carbon-shell-coated FeP nanoparticles show a low overpotential of 71 mV at 10 mA cm-2, which is comparable to that of a commercial Pt catalyst, and remarkable long-term durability under acidic conditions for up to 10 000 cycles with negligible activity loss. The effect of carbon shell protection was investigated both theoretically and experimentally. A density functional theory reveals that deterioration of catalytic activity of FeP is caused by surface oxidation. Extended X-ray absorption fine structure analysis combined with electrochemical test shows that carbon shell coating prevents FeP nanoparticles from oxidation, making them highly stable under hydrogen evolution reaction operation conditions. Furthermore, we demonstrate that our synthetic method is suitable for mass production, which is highly desirable for large-scale hydrogen production.

An urgent need in chemodynamic therapy (CDT) is to achieve high Fenton catalytic efficiency at small doses of CDT agents. However, simple general promotion of the Fenton reaction increases the risk of damaging normal cells along with the cancer cells. Therefore, a tailored strategy to selectively enhance the Fenton reactivity in tumors, for example, by taking advantage of the characteristics of the tumor microenvironment (TME), is in high demand. Herein, a heterogeneous CDT system based on copper–iron peroxide nanoparticles (CFp NPs) is designed for TME-mediated synergistic therapy. CFp NPs degrade under the mildly acidic conditions of TME, self-supply H2O2, and the released Cu and Fe ions, with their larger portions at lower oxidation states, cooperatively facilitate hydroxyl radical production through a highly efficient catalytic loop to achieve an excellent tumor therapeutic efficacy. This is distinct from previous heterogeneous CDT systems in that the synergism is closely coupled with the Cu+-assisted conversion of Fe3+ to Fe2+ rather than their independent actions. As a result, almost complete ablation of tumors at a minimal treatment dose is demonstrated without the aid of any other therapeutic modality. Furthermore, CFp NPs generate O2 during the catalysis and exhibit a TME-responsive T1 magnetic resonance imaging contrast enhancement, which are useful for alleviating hypoxia and in vivo monitoring of tumors, respectively.