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

研究旨在解決質(zhì)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(tuán)聚導(dǎo)致的耐久性不足問題。

研究背景與目的

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）的商業(yè)化應(yīng)用受限于陰極氧還原反應(yīng)（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(dǎo)致性能迅速衰減。本研究旨在通過構(gòu)建一種新型的金屬-載體界面，從根本上強(qiáng)化Pt-Ni化學(xué)鍵合，從而同時(shí)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(fù)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(jié)構(gòu)和元素化學(xué)態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)表征。

  
  

• 電子結(jié)構(gòu)分析：通過X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XANES/EXAFS）和密度泛函理論（DFT）計(jì)算，深入分析了Pt?Ni與TiN載體之間的電子轉(zhuǎn)移和強(qiáng)金屬-載體相互作用（SMSI）。

  
  

• 電化學(xué)性能測試：核心實(shí)驗(yàn)使用電化學(xué)工作站，配合DC DSR旋轉(zhuǎn)圓盤圓環(huán)電極裝置，在標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(xué)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(shí)的H?-O?/空氣燃料電池中測試其功率密度、質(zhì)量活性及運(yùn)行耐久性。

研究結(jié)論

• 成功構(gòu)建金屬界面：成功在Pt?Ni與TiN之間構(gòu)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(dǎo)了從TiN到Pt?Ni的顯著電子轉(zhuǎn)移（3.68 |e|），形成了富電子的Pt位點(diǎn)。

  
  

• 顯著提升耐久性：這種強(qiáng)相互作用將Pt-Ni鍵長度縮短了0.04 ?，極大地強(qiáng)化了Pt-Ni鍵合，從而有效抑制了Ni的溶解。經(jīng)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(yán)重的顆粒團(tuán)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(zhì)量活性在30,000圈ADT后僅衰減22%，達(dá)到了美國能源部（DOE）2025年的技術(shù)目標(biāo)。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(xiàn)

本研究提出并驗(yàn)證了一種通過構(gòu)建金屬性載體界面來定向調(diào)控電子結(jié)構(gòu)、從而同時(shí)增強(qiáng)催化劑活性和穩(wěn)定性的普適性策略，為設(shè)計(jì)下一代高耐久性燃料電池催化劑提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。