西安交大杨生春教授团队 在燃料电池催化剂研究领域取得重要进展

质子交换膜燃料电池是一种清洁高效的新能源转换技术，对实现“双碳”目标具有重要意义。然而，阴极氧还原反应动力学缓慢，需要大量昂贵的铂基催化剂，且现有催化剂面临活性与耐久性难以兼顾的瓶颈。原子有序排列的铂基金属间化合物虽具有优异的催化活性，但其合成需要高温退火，不可避免地导致颗粒烧结粗化；同时，非贵金属原子在循环过程中的溶出以及碳载体腐蚀，严重制约了催化剂的实际应用寿命。如何在保证高金属载量的前提下，同时实现超细颗粒尺寸控制、元素均匀分布及碳载体抗腐蚀，是该领域长期面临的科学难题。

针对上述挑战，西安交通大学物理学院杨生春教授团队在前期的研究基础上（Nature Communications, 2023, 14, 7414.）联合能源与动力工程学院何炽教授，上海交通大学邬剑波教授、中国科学院上海高等研究院上海同步辐射光源梅丙宝研究员，贵金属功能材料国家重点实验室刘峰研究员，进一步发展了硼烯介导多金属位点共锚定策略，成功合成了亚4纳米高熵Pt₄FeCoNiCu金属间化合物催化剂。该策略利用硼烯作为分子桥梁，通过硼烯桥联的M–B配位，同时实现铂与非贵金属在原始碳载体上的致密锚定。这种强金属–载体相互作用不仅有效抑制了1000 °C高温退火过程中的颗粒烧结，使催化剂在高达36 wt%的金属载量下仍保持3.4纳米的平均粒径，而且通过高熵FeCoNiCu原子层的引入，显著提升了金属间化合物的本征结构稳定性。

原子分辨球差校正电镜和X射线吸收光谱表征证实，该催化剂具有独特的L1₀有序结构，形成了Pt₄FeCoNiCu金属间化合物核与约两个原子层厚的铂富集壳层的核壳结构。理论计算表明，高熵原子层的引入使铂的d带中心下移0.7 eV，优化了氧还原中间体的吸附强度，同时显著提高了金属空位形成能，抑制了金属溶出。

在旋转圆盘电极测试中，该催化剂展现出优异的氧还原性能：半波电位达0.926 V（相对于可逆氢电极），质量活性和比活性分别为1.68 A mgₚₜ⁻¹和2.97 mA cm⁻²，分别是商业Pt/C催化剂的7.3倍和8.7倍。经30,000圈加速耐久性测试后，催化剂仅衰减4 mV半波电位，质量活性保持率高达88.7%，远优于商业Pt/C（衰减28 mV，质量活性保持率52.2%）。

图1 基于二维硼烯多位点锚定的Pt基高熵合金金属间化合物（MMCA-HEIMCs）

在实际质子交换膜燃料电池测试中，该催化剂在氢气–氧气条件下，峰值功率密度达1.6 W cm⁻²，0.9 V时的质量活性高达1.4 A mgₚₜ⁻¹，远超美国能源部2025年目标；在氢气–空气条件下，峰值功率密度达1.055 W cm⁻²，0.8 A cm⁻²电流密度下的电压达749 mV，显著优于商业Pt/C。经30,000圈耐久性循环后，催化剂仍保持80%的初始质量活性和72%的峰值功率密度，满足美国能源部2025年耐久性目标。尤为重要的是，硼烯夹层有效抑制了铂催化碳腐蚀效应。启动/关闭循环测试和在线差分电化学质谱分析表明，该催化剂的CO₂释放信号强度约为商业Pt/C的一半，展现出卓越的碳载体抗腐蚀能力。密度泛函理论计算进一步揭示，硼烯与金属间化合物之间的结合能远高于与石墨烯的结合能，为催化剂的长期稳定性提供了理论支撑。

该研究不仅开发了一类高性能铂基氧还原电催化剂，更为多组分金属间化合物的理性设计提供了通用策略，通过硼烯桥联的强金属–载体相互作用，协同解决高温合成中的颗粒烧结、电化学循环中的元素溶出以及碳载体腐蚀三个关键问题，实现了活性与耐久性的同步提升，对于推动质子交换膜燃料电池的商业化应用具有重要价值。

图2  碳载Pt基高熵合金金属间化合物在三电极体系和PEMFC燃料电池堆中的性能表征

论文近日发表于《科学进展》（Science Advances）。西安交通大学物理学院博士生曾晓晓、上海交通大学材料学院方振、田嘉康，中国科学院上海高等研究院许自然为共同第一作者。西安交通大学蔡海蕊副教授、李富民副教授、何炽教授，上海交通大学邬剑波教授，西安交通大学杨生春教授为论文共同通讯作者。物理学院王斌副教授，梁超教授共同参与了本工作。西安交通大学物理学院和金属材料强度全国重点实验室是共同完成单位。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省自然科学基金、云南省贵金属实验室科技项目等资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg1088

杨生春教授个人主页：https://gr.xjtu.edu.cn/ysch1209/zh_CN/index.htm