通(tong)過金屬界面定(ding)向(xiang)活化(hua)增強(qiang)Pt₃Ni催(cui)化(hua)劑(ji)化(hua)學鍵(jian)合以提升(sheng)燃(ran)料電池(chi)耐(nai)久性

海南(nan)大(da)學海洋(yang)科學與(yu)工(gong)程學院(yuan)在(zai)《Advanced Functional Materials》雜誌上(shang)發(fa)表了壹(yi)項通過金屬界面定(ding)向(xiang)活化(hua)增強(qiang)Pt₃Ni催(cui)化(hua)劑(ji)化(hua)學鍵(jian)合以提升(sheng)燃(ran)料電池(chi)耐(nai)久性的(de)研究(jiu)。

研究(jiu)旨在解(jie)決(jue)質(zhi)子(zi)交(jiao)換膜燃料(liao)電池(chi)（PEMFCs）中Pt–Ni合金催(cui)化(hua)劑(ji)因Ni溶(rong)解(jie)和顆(ke)粒團(tuan)聚導致(zhi)的(de)耐(nai)久性不足(zu)問題(ti)。

研究(jiu)背(bei)景與目(mu)的

質(zhi)子(zi)交(jiao)換膜燃料(liao)電池(chi)（PEMFCs）的(de)商業化(hua)應(ying)用受限於陰極氧(yang)還原反應(ying)（ORR）催(cui)化(hua)劑(ji)的耐(nai)久(jiu)性。

盡管(guan)Pt-Ni合金催(cui)化(hua)劑(ji)活性高(gao)，但在(zai)苛刻的工(gong)作條(tiao)件下(xia)易(yi)發生(sheng)Ni腐(fu)蝕(shi)溶(rong)解(jie)和顆(ke)粒奧(ao)斯(si)特(te)瓦爾(er)德(de)熟(shu)化(hua)（Ostwald ripening），導致(zhi)性能(neng)迅速(su)衰減(jian)。本研究(jiu)旨在通過構(gou)建壹(yi)種(zhong)新(xin)型的金屬-載體界面(mian)，從根(gen)本上(shang)強(qiang)化(hua)Pt-Ni化(hua)學鍵(jian)合，從而(er)同(tong)時(shi)提升(sheng)催(cui)化(hua)劑(ji)的活性和耐(nai)久性。

研究(jiu)方(fang)法

• 材料(liao)制備與表(biao)征：合成了Pt₃Ni納米(mi)線(xian)並(bing)將(jiang)其負(fu)載在氮(dan)化(hua)鈦（TiN）載體上(shang)，形(xing)成Pt₃Ni/TiN催(cui)化(hua)劑(ji)。作為(wei)對(dui)比(bi)，制備了傳統(tong)的碳(tan)載Pt₃Ni/C催(cui)化(hua)劑(ji)。利(li)用透射電子(zi)顯(xian)微(wei)鏡(jing)（TEM）、X射線(xian)衍(yan)射（XRD）、X射(she)線(xian)光電子(zi)能(neng)譜（XPS）等手段對(dui)材(cai)料的形(xing)貌、結構(gou)和元(yuan)素化(hua)學態進(jin)行了詳細表征。

  
  

• 電子(zi)結(jie)構(gou)分(fen)析：通(tong)過X射(she)線(xian)吸收(shou)精細結構(gou)譜（XANES/EXAFS）和密(mi)度(du)泛(fan)函理論（DFT）計算，深入(ru)分(fen)析了Pt₃Ni與TiN載體之間(jian)的電子(zi)轉(zhuan)移和強(qiang)金屬-載體相(xiang)互(hu)作用（SMSI）。

  
  

• 電化(hua)學性能(neng)測(ce)試(shi)：核心實驗使用電化(hua)學工(gong)作站(zhan)，配(pei)合DC DSR旋轉(zhuan)圓(yuan)盤圓(yuan)環(huan)電極裝(zhuang)置(zhi)，在標準三(san)電極體系(xi)中評估(gu)了催(cui)化(hua)劑(ji)的ORR活性（通(tong)過線(xian)性掃描伏(fu)安法LSV測(ce)量(liang)質(zhi)量(liang)活性、比(bi)活性）和耐(nai)久性（通(tong)過30,000圈(quan)加速(su)耐久(jiu)性測(ce)試(shi)ADT）。此(ci)外，還采用了CO剝離(li)、氫欠(qian)電位沈積（H-UPD）等方法測(ce)量(liang)電化(hua)學活性面(mian)積（ECSA）。

  
  

  

  
  
  

• 燃(ran)料(liao)電池(chi)性能(neng)測(ce)試(shi)：將催(cui)化(hua)劑(ji)制備成膜電極（MEA），在(zai)真(zhen)實的H₂-O₂/空(kong)氣燃料(liao)電池(chi)中測(ce)試(shi)其功率(lv)密(mi)度(du)、質(zhi)量(liang)活性及(ji)運(yun)行耐久(jiu)性。

研究(jiu)結(jie)論

• 成功構(gou)建金屬界面：成功在Pt₃Ni與(yu)TiN之間(jian)構(gou)建了具(ju)有快速(su)電子(zi)通(tong)道的金屬性Pt-Ti界(jie)面(mian)，而非(fei)傳統(tong)的Pt-O-M界(jie)面。該(gai)界面誘導了從TiN到Pt₃Ni的(de)顯著電子(zi)轉(zhuan)移（3.68 |e|），形(xing)成了富電子(zi)的(de)Pt位點。

  
  

• 顯(xian)著提升(sheng)耐(nai)久性：這(zhe)種(zhong)強(qiang)相(xiang)互(hu)作用將Pt-Ni鍵長(chang)度(du)縮(suo)短了0.04 Å，極大(da)地強(qiang)化(hua)了Pt-Ni鍵合，從而(er)有效(xiao)抑(yi)制了Ni的溶(rong)解(jie)。經過ADT後(hou)，Pt₃Ni/TiN的Ni溶(rong)出(chu)量(liang)比Pt₃Ni/C降低(di)了7.2倍(bei)，顆(ke)粒尺(chi)寸(cun)幾(ji)乎(hu)不變，而Pt₃Ni/C則(ze)發(fa)生了嚴重(zhong)的顆(ke)粒團(tuan)聚和長(chang)大(da)。

  
  

• 優(you)異(yi)的綜合性能(neng)：Pt₃Ni/TiN催(cui)化(hua)劑(ji)表現(xian)出(chu)優(you)異(yi)的ORR活性和耐(nai)久性。其(qi)質(zhi)量(liang)活性在(zai)30,000圈(quan)ADT後僅(jin)衰(shuai)減(jian)22%，達(da)到了美(mei)國(guo)能源(yuan)部（DOE）2025年(nian)的技術(shu)目(mu)標。在(zai)燃(ran)料(liao)電池(chi)測(ce)試(shi)中，其峰(feng)值(zhi)功率(lv)密(mi)度(du)（H₂-空(kong)氣下0.88 W cm⁻²）和活性保(bao)持(chi)率(lv)均顯(xian)著(zhu)優(you)於對(dui)比(bi)樣品。

核心貢(gong)獻

本研究(jiu)提出(chu)並(bing)驗(yan)證了壹(yi)種(zhong)通(tong)過構(gou)建金屬性載體界面(mian)來定(ding)向(xiang)調(tiao)控(kong)電子(zi)結(jie)構(gou)、從(cong)而同(tong)時(shi)增(zeng)強(qiang)催(cui)化(hua)劑(ji)活性和穩(wen)定性的(de)普適(shi)性策(ce)略，為(wei)設(she)計下(xia)壹(yi)代高(gao)耐(nai)久性燃(ran)料(liao)電池(chi)催(cui)化(hua)劑(ji)提供了重(zhong)要的理論和實驗依(yi)據(ju)。