宋树芹教授课题组在PEMFCs阴极氧还原催化剂设计构筑上取得进展

       在全球能源结构低碳转型背景下，氢能作为实现碳中和目标的关键二次能源，已被正式纳入我国“十四五”现代能源体系规划。国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》更是将质子交换膜燃料电池（PEMFCs技术列为重点突破方向。作为氢能高效转化的核心装置，PEMFCs在交通动力、分布式发电等领域展现出巨大应用潜力，其产业化进程却受制于阴极氧还原反应（ORR）催化剂的性能瓶颈。这源于阴极ORR动力学过程缓慢，需要高效催化剂驱动，目前普遍采用的碳载铂（Pt/C）催化剂仍面临贵金属Pt全球储量有限、价格高昂以及在实际工况下耐久性不足等问题。

       通过筛选廉价的3d过渡金属（Fe、Co、Ni等）与Pt合金化形成Pt基二元合金催化剂，能有效调控Pt的d轨道电子排布，优化含氧中间体在其表面的吸脱附行为，提高Pt的本征活性，进而降低Pt用量。已有研究证明Pt3Ni(111)单晶表面展现出卓越的ORR比活性，可达商业Pt/C催化剂的90倍。因此最大程度暴露(111)晶面的八面体构型成为了突破活性限制的关键研究对象，但是近年来的研究结果显示PtNi八面体合金的活性提升陷入瓶颈，与Pt3Ni(111)单晶表面相比仍有较大差距。除此以外，在PEMFCs严苛工况下，仍无法避免过渡金属组分因其较低的溶解电位而持续溶出，导致Pt-M合金结构失衡，削弱配体效应和应变效应带来的优化特性，最终致使催化活性显著降低。

       近日，我院宋树芹教授团队提出一种低温热驱动刻蚀技术定向移除PtNi八面体合金(111)晶面Ni原子，并通过热力学驱动Pt原子表面重构，成功制备了兼具Pt皮保护层及(100)/(111)晶面异质结构的PtNi截断八面体合金催化剂（PNZC-5A160）。结合多尺度表征技术系统追踪了PtNi合金从八面体到截断八面体的结构演变路径，揭示了温度场与刻蚀化学的协同调控机制。经优化后的催化剂展现出卓越的ORR性能，在0.9 V vs. RHE电位下的质量活性（MA = 2.97 A mgPt−1）与比活性（SA = 3.89 mA cmPt−2）分别达到商业Pt/C催化剂的7.8倍和9.0倍，在30,000圈加速老化循环测试后，活性保持率突破71.72%（MA）和84.32%（SA）。在PEMFC单池性能测试中，在H2-O2工况下的质量活性（0.5 A mgPt−1@0.9 ViR-free）已超越美国能源部2025年技术目标，峰值功率密度（Pmax）更是高达1.42 W cm−2。经过加速应力测试后，PEMFC的MA和Pmax分别衰减仅8.0%和6.3%。研究表明(100)/(111)晶面异质结构中边缘Pt位点的配位环境发生改变，通过加速4电子ORR反应路径中*OOH中间体O-O键的断裂并将ΔG*OH优化至理论最优值，共同实现催化剂本征活性的显著提升。同时，Pt皮结构的构筑通过亚表层原子对表面Pt原子的强键合能力有效抑制金属组分的氧化溶解，从而提升催化耐久性。这项工作为PtNi合金催化剂的高活性晶面位点设计开辟了新范式，突破了传统低指数晶面位点的固有活性限制。

       该工作以“Unveiling the Catalytic Potential of Facet Heterojunctions in Platinum Alloys for Oxygen Reduction Reaction”为题发表在国际期刊《Angewandte Chemie International Edition》上（Angewandte Chemie International Edition, 2025: e202505699）。我院2021级博士研究生吴胤龙为第一作者，宋树芹教授及其团队王毅教授、王昆副教授作为论文的共同通讯作者，中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、能源催化转化全国重点实验室开放基金等项目的大力支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202505699

图1. PNZC-5A160催化剂的合成示意图及结构表征

图2. PNZC-5A160催化剂的电催化性能与PEMFC器件性能

图3. 晶面异质结构反应机理研究

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军