Nanoscale Pt–Ni bimetallic octahedra with controlled sizes have been actively explored in recent years owning to their outstanding activity for the oxygen reduction reaction (ORR). Here we report the synthesis of uniform 9 nm Pt–Ni octahedra with the use of oleylamine and oleic acid as surfactants and W(CO)6 as a source of CO that can promote the formation of {111} facets in the presence of Ni. Through the introduction of benzyl ether as a solvent, the coverage of both surfactants on the surface of resultant Pt–Ni octahedra was significantly reduced while the octahedral shape was still attained. By further removing the surfactants through acetic acid treatment, we observed a specific activity 51-fold higher than that of the state-of-the-art Pt/C catalyst for the ORR at 0.93 V, together with a record high mass activity of 3.3 A mgPt–1 at 0.9 V (the highest mass activity reported in the literature was 1.45 A mgPt–1). Our analysis suggests that this great enhancement of ORR activity could be attributed to the presence of a clean, well-preserved (111) surface for the Pt–Ni octahedra.

Controlling the shape or morphology of metal nanocrystals is central to the realization of their many applications in catalysis, plasmonics, and electronics. In one of the approaches, the metal nanocrystals are grown from seeds of certain crystallinity through the addition of atomic species. In this case, manipulating the rates at which the atomic species are added onto different crystallographic planes of a seed has been actively explored to control the growth pattern of a seed and thereby the shape or morphology taken by the final product. Upon deposition, however, the adsorbed atoms (adatoms) may not stay at the same sites where the depositions occur. Instead, they can migrate to other sites on the seed owing to the involvement of surface diffusion, and this could lead to unexpected deviations from a desired growth pathway. Herein, we demonstrated that the growth pathway of a seed is indeed determined by the ratio between the rates for atom deposition and surface diffusion. Our result suggests that surface diffusion needs to be taken into account when controlling the shape or morphology of metal nanocrystals.

Kinetic control is a powerful means for maneuvering the twin structure and shape of metal nanocrystals and thus optimizing their performance in a variety of applications. However, there is only a vague understanding of the explicit roles played by reaction kinetics due to the lack of quantitative information about the kinetic parameters. With Pd as an example, here we demonstrate that kinetic parameters, including rate constant and activation energy, can be derived from spectroscopic measurements and then used to calculate the initial reduction rate and further have this parameter quantitatively correlated with the twin structure of a seed and nanocrystal. On a quantitative basis, we were able to determine the ranges of initial reduction rates required for the formation of nanocrystals with a specific twin structure, including single-crystal, multiply twinned, and stacking fault-lined. This work represents a major step forward toward the deterministic syntheses of colloidal noble-metal nanocrystals with specific twin structures and shapes.