中科院燃料电池低铂催化剂研究新进展

中国科学院上海高等研究院的研究团队在质子交换膜燃料电池（PEMFC）领域取得重大突破，提出“熵增辅助抗烧结”策略，成功合成高载量、低铂催化剂。该催化剂通过提高合金前驱体的混合熵，有效抑制高温烧结，显著提升了催化性能。其质量活性是商用Pt/C催化剂的5.4倍，且具有优异的长期稳定性。这项研究为解决高温烧结问题提供了新思路，成果已发表在《先进功能材料》期刊上。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效的能量转换效率和环保特性，已成为清洁能源领域的关键发展方向。然而，其阴极氧还原反应（ORR）严重依赖于铂（Pt）基催化剂，而高Pt负载量不仅增加了成本，还面临资源短缺的问题。尽管Pt基金属间化合物能够减少Pt用量，但其在高温处理过程中的纳米颗粒烧结现象会显著降低催化剂的活性，特别是在高金属负载（≥40 wt.%）条件下，传统的抗烧结方法难以奏效，因此急需从基础原理出发开发新的解决方案。

针对这一挑战，中国科学院上海高等研究院的研究团队提出了一种创新性的“熵增辅助抗烧结”策略，成功合成出具有小粒径和高载量的Pt基高熵金属间化合物氧还原催化剂，并深入探讨了其抗烧结机理及催化性能提升的原因。

研究团队引入了“熵增辅助抗烧结”的理念，通过提高合金前驱体的混合熵（ΔSmix），有效降低了纳米颗粒的表面能，从而抑制了高温条件下的颗粒迁移和团聚现象。实验数据表明，随着合金元素种类的增多（从单一的Pt到包含五种元素的PtCoNiGaZn），ΔSmix值显著上升，相应的纳米颗粒平均直径逐步缩小且分布更加均匀。进一步的理论分析指出，这种熵增效应能够从根本上减弱纳米颗粒的表面能，从而显著削弱烧结的动力学驱动力。

在此基础上，研究者采用了液相还原-表面置换-高温退火的技术路线，成功制备出了金属负载量达到40.53 wt.%、平均粒径仅为3.15 nm的PtCoNiGaZn@Pt/C催化剂。该催化剂的核心部分是一种有序的L10型面心四方高熵金属间化合物（HEI），外部包裹着一层Pt壳，形成了独特的“核-壳”结构，其有序度高达71%。HEI核通过施加强大的压缩应变（7.38%）来调整Pt壳层的电子结构，影响d带中心的位置，进而优化了关键中间产物*OOH的吸附行为，同时有效防止了Pt的氧化与溶解，极大提升了催化剂的本征活性和长期稳定性。

在实际测试中，该催化剂在0.9 V（相对于标准氢电极RHE）时的质量活性达到了0.65 A mg-1 Pt，比商用Pt/C催化剂高出5.4倍。经过20000次加速耐久性测试后，其质量活性仅下降了27%，而半波电位仅仅减少了14 mV，相比之下，商用Pt/C催化剂则出现了超过50%的质量活性损失以及70 mV的半波电位下降。此外，在氢-空气和氢-氧燃料电池中，使用该催化剂时阴极Pt负载量降至0.1 mg Pt cm-2的情况下，峰值功率密度分别达到了0.96 W cm-2和2.44 W cm-2，均超过了商用Pt/C催化剂的表现。在经历了30000次加速耐久性测试之后，基于该催化剂的膜电极装置的峰值功率密度仅下降了6%，而商用Pt/C催化剂则下降了28%；同样地，质量活性也只减少了12.5%，显示出优异的实际应用前景。

这项研究首次揭示了混合熵与纳米颗粒表面能之间的内在联系，为解决高温环境下的烧结问题提供了全新的思路。同时，它还证明了通过高熵金属间化合物实现对氧还原反应活性与稳定性的双重提升是可行的，并且打破了传统二元合金技术的局限性。

上述研究成果已发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上，得到了国家自然科学基金和上海市科技创新行动计划的支持。

论文链接

熵增辅助抗烧结策略用于合成高载量铂基金属间化合物作为质子交换膜燃料电池电催化剂

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