海南大學海洋科學與工程學院在《Advanced Functional Materials》雜志上發(fā)表了一項通過金屬界面定向活化增強Pt?Ni催化劑化學鍵合以提升燃料電池耐久性的研究。

研究旨在解決質子交換膜燃料電池（PEMFCs）中Pt–Ni合金催化劑因Ni溶解和顆粒團聚導致的耐久性不足問題。

研究背景與目的

質子交換膜燃料電池（PEMFCs）的商業(yè)化應用受限于陰極氧還原反應（ORR）催化劑的耐久性。

盡管Pt-Ni合金催化劑活性高，但在苛刻的工作條件下易發(fā)生Ni腐蝕溶解和顆粒奧斯特瓦爾德熟化（Ostwald ripening），導致性能迅速衰減。本研究旨在通過構建一種新型的金屬-載體界面，從根本上強化Pt-Ni化學鍵合，從而同時提升催化劑的活性和耐久性。

研究方法

• 材料制備與表征：合成了Pt?Ni納米線并將其負載在氮化鈦（TiN）載體上，形成Pt?Ni/TiN催化劑。作為對比，制備了傳統(tǒng)的碳載Pt?Ni/C催化劑。利用透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）等手段對材料的形貌、結構和元素化學態(tài)進行了詳細表征。

  
  

• 電子結構分析：通過X射線吸收精細結構譜（XANES/EXAFS）和密度泛函理論（DFT）計算，深入分析了Pt?Ni與TiN載體之間的電子轉移和強金屬-載體相互作用（SMSI）。

  
  

• 電化學性能測試：核心實驗使用電化學工作站，配合DC DSR旋轉圓盤圓環(huán)電極裝置，在標準三電極體系中評估了催化劑的ORR活性（通過線性掃描伏安法LSV測量質量活性、比活性）和耐久性（通過30,000圈加速耐久性測試ADT）。此外，還采用了CO剝離、氫欠電位沉積（H-UPD）等方法測量電化學活性面積（ECSA）。

  
  

  

  
  
  

• 燃料電池性能測試：將催化劑制備成膜電極（MEA），在真實的H?-O?/空氣燃料電池中測試其功率密度、質量活性及運行耐久性。

研究結論

• 成功構建金屬界面：成功在Pt?Ni與TiN之間構建了具有快速電子通道的金屬性Pt-Ti界面，而非傳統(tǒng)的Pt-O-M界面。該界面誘導了從TiN到Pt?Ni的顯著電子轉移（3.68 |e|），形成了富電子的Pt位點。

  
  

• 顯著提升耐久性：這種強相互作用將Pt-Ni鍵長度縮短了0.04 ?，極大地強化了Pt-Ni鍵合，從而有效抑制了Ni的溶解。經過ADT后，Pt?Ni/TiN的Ni溶出量比Pt?Ni/C降低了7.2倍，顆粒尺寸幾乎不變，而Pt?Ni/C則發(fā)生了嚴重的顆粒團聚和長大。

  
  

• 優(yōu)異的綜合性能：Pt?Ni/TiN催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性和耐久性。其質量活性在30,000圈ADT后僅衰減22%，達到了美國能源部（DOE）2025年的技術目標。在燃料電池測試中，其峰值功率密度（H?-空氣下0.88 W cm?2）和活性保持率均顯著優(yōu)于對比樣品。

核心貢獻

本研究提出并驗證了一種通過構建金屬性載體界面來定向調控電子結構、從而同時增強催化劑活性和穩(wěn)定性的普適性策略，為設計下一代高耐久性燃料電池催化劑提供了重要的理論和實驗依據。