东南大学王金兰、凌崇益团队在燃料电池催化剂设计方面取得新进展
文章导读
你是否想过，燃料电池的“心脏”催化剂竟能通过曲面设计彻底升级？东南大学王金兰、凌崇益团队联合多方，突破性提出多层曲面Fe/N–C单原子催化剂，一举破解氧还原反应中活性与稳定性难以兼得的世纪难题。理论计算揭示，曲面碳壳产生的静电排斥成功打破中间体间的“线性标度关系”，催化过电位骤降至0.34V；独特结构更抑制有害自由基生成，303小时运行后仍保持86%电流。这项发表于《Nature》的成果，或将加速燃料电池商业化进程。
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（通讯员 凌崇益）近日，东南大学物理学院王金兰、凌崇益团队与中科院过程所、清华大学、香港城市大学等单位合作，在燃料电池催化剂设计方面取得新进展，相关成果以《曲面铁单原子催化剂的酸性氧还原反应》（Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports）为题发表于Nature。
质子交换膜燃料电池被认为是实现碳中和的重要能源技术，但目前其商业化仍受到阴极氧还原反应催化剂的制约。近年来，Fe/N–C单原子催化剂表现出巨大潜力，有望取代传统铂基等贵金属催化剂，却同时面临两个突出问题：一方面，关键中间体之间存在“线性标度关系”，难以同时优化，活性受限；另一方面，铁原子容易在酸性环境中发生脱落，导致催化性能迅速衰退，稳定性不足。因此，如何同时兼顾高活性与高稳定性，是该领域长期亟待解决的科学难题。
针对上述挑战，研究团队与合作者设计、合成了多层、曲面Fe/N–C单原子催化剂。基于理论计算，团队外层石墨化碳壳层可产生额外静电排斥力，有效削弱氧还原反应中间体的结合强度。同时，电荷以及与外壳层距离的不同，会导致不同中间体所受到的排斥作用不同（0.63–1.55eV），从而打破传统的“线性标度关系”，理论过电位显著降至0.34V，催化活性大幅提升。此外，弯曲表面结构能够改变O-O键与O-Fe键的相对强度，促进四电子还原途径，从而有效阻止羟基自由基（OH·）的大量生成，延缓铁位点的失活,催化稳定性显著提高。
在5cm2单电池测试中，该催化剂展现出目前报道的最优综合性能：在1.0barH2-air条件下，峰值功率密度达0.75Wcm-2；经303小时恒压运行后，仍保持86%的初始电流。
东南大学物理学院凌崇益教授为论文共同第一作者，王金兰教授为共同通讯作者。该工作东南大学部分受到了国家自然科学基金重点项目和优秀青年科学基金项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09364-6
供稿：物理学院
（责任编辑：刘明源 审核：李小男）
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