通过金属界面定向活化增强Pt₃Ni催化剂化学键合以提升燃料电池耐久性

海南大学海洋科学与工程学院在《Advanced Functional Materials》杂志上发表了一项通过金属界面定向活化增强Pt₃Ni催化剂化学键合以提升燃料电池耐久性的研究。

研究旨在解决质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中Pt–Ni合金催化剂因Ni溶解和颗粒团聚导致的耐久性不足问题。

研究背景与目的

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的商业化应用受限于阴极氧还原反应（ORR）催化剂的耐久性。

尽管Pt-Ni合金催化剂活性高，但在苛刻的工作条件下易发生Ni腐蚀溶解和颗粒奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening），导致性能迅速衰减。本研究旨在通过构建一种新型的金属-载体界面，从根本上强化Pt-Ni化学键合，从而同时提升催化剂的活性和耐久性。

研究方法

• 材料制备与表征：合成了Pt₃Ni纳米线并将其负载在氮化钛（TiN）载体上，形成Pt₃Ni/TiN催化剂。作为对比，制备了传统的碳载Pt₃Ni/C催化剂。利用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等手段对材料的形貌、结构和元素化学态进行了详细表征。

  
  

• 电子结构分析：通过X射线吸收精细结构谱（XANES/EXAFS）和密度泛函理论（DFT）计算，深入分析了Pt₃Ni与TiN载体之间的电子转移和强金属-载体相互作用（SMSI）。

  
  

• 电化学性能测试：核心实验使用电化学工作站，配合DC DSR旋转圆盘圆环电极装置，在标准三电极体系中评估了催化剂的ORR活性（通过线性扫描伏安法LSV测量质量活性、比活性）和耐久性（通过30,000圈加速耐久性测试ADT）。此外，还采用了CO剥离、氢欠电位沉积（H-UPD）等方法测量电化学活性面积（ECSA）。

  
  

  

  
  
  

• 燃料电池性能测试：将催化剂制备成膜电极（MEA），在真实的H₂-O₂/空气燃料电池中测试其功率密度、质量活性及运行耐久性。

研究结论

• 成功构建金属界面：成功在Pt₃Ni与TiN之间构建了具有快速电子通道的金属性Pt-Ti界面，而非传统的Pt-O-M界面。该界面诱导了从TiN到Pt₃Ni的显著电子转移（3.68 |e|），形成了富电子的Pt位点。

  
  

• 显著提升耐久性：这种强相互作用将Pt-Ni键长度缩短了0.04 Å，极大地强化了Pt-Ni键合，从而有效抑制了Ni的溶解。经过ADT后，Pt₃Ni/TiN的Ni溶出量比Pt₃Ni/C降低了7.2倍，颗粒尺寸几乎不变，而Pt₃Ni/C则发生了严重的颗粒团聚和长大。

  
  

• 优异的综合性能：Pt₃Ni/TiN催化剂表现出优异的ORR活性和耐久性。其质量活性在30,000圈ADT后仅衰减22%，达到了美国能源部（DOE）2025年的技术目标。在燃料电池测试中，其峰值功率密度（H₂-空气下0.88 W cm⁻²）和活性保持率均显著优于对比样品。

核心贡献

本研究提出并验证了一种通过构建金属性载体界面来定向调控电子结构、从而同时增强催化剂活性和稳定性的普适性策略，为设计下一代高耐久性燃料电池催化剂提供了重要的理论和实验依据。