新闻网讯 5月20日，《自然·材料》（NatureMaterials）在线刊发材料学院李箐教授团队的研究成果“金属键强调控用于大规模制备金属间纳米晶燃料电池催化剂”（Metal bond strength regulation enables large-scale synthesis of intermetallic nanocrystals for practical fuel cells）。材料学院2022届博士生梁嘉顺和江苏大学万阳阳博士为论文共同第一作者，李箐教授和北京大学郭少军教授为论文共同通讯作者，我校材料学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为第一完成单位及第一通讯单位。材料学院黄云辉教授、美国加州州立大学北岭分校吕刚教授，以及中国科学院大连化学物理研究所汪国雄研究员对该工作的材料表征和数据分析提供了大力支持。

作为一种清洁的能源转化装置，质子交换膜燃料电池是实现双碳目标的重要途径之一。然而，燃料电池的输出功率及耐久性受到阴极催化剂活性和稳定性的限制。2024年中国电化学专业委员会提出“电化学10大科学问题”中第5条即为：“如何理性设计低/非铂的高效长寿命电催化剂并宏量制备？”结构有序的 L1₀-PtM（M = Fe、Co、Ni 等）金属间纳米晶体具有化学有序结构和较高的稳定性，是燃料电池的最佳电催化剂之一。然而，由于铂基合金相变活化能（E_a）较高，通常需要高温退火（>600℃）来制备有序结构。但高温退火将会导致颗粒严重烧结、形貌改变和有序度降低，这使得大规模（克级）制备具有高铂含量、高有序度的PtM金属间催化剂非常困难。特别是在重型运输体的应用场景下，阴极的铂载量较高（0.25 mg_Ptcm^-2），因此需要具有高铂含量的催化剂，降低阴极催化层的厚度以及氧气传输阻力，从而提高燃料电池的性能。

针对铂基合金相变活化能较高的本质问题，团队提出了一种“基于低熔点金属（M′ = Sn、Ga、In）诱导的键强度减弱”的策略来降低E_a，并促进合金催化剂的有序化过程。该策略能够普适地将PtM（M = Ni、Co、Fe、Cu 和 Zn）合金的有序化温度降低至450 °C 一下，并能够实现高铂含量（≥40 wt.%）催化剂的克级批量制备。

图1.基于低熔点金属（M′ = Sn、Ga、In）诱导的键强度减弱策略制备的有序PtM（M = Ni、Co、Fe、Cu 和 Zn）催化剂

图2.第一性原理揭示低熔点金属促进相变机理

该团队进一步探究了有序L1₀-Pt₅₀Ni₃₅Ga₁₅/C等催化剂在燃料电池中的应用。其中，在传统乘用车的测试标准下，有序L1₀-Pt₅₀Ni₃₅Ga₁₅/C催化剂在H₂-O₂、0.9 V_iR-free条件下表现出较高的质量活性（0.7 A mgPt-1），而在H2-Air条件下，L1₀-Pt₅₀Ni₃₅Ga₁₅/C催化剂在0.7 V达到了1.12 Acm^-2的高电流密度和1.1 Wcm^-2的峰值功率密度，在经过30000圈加速稳定性测试后，催化剂的活性损失小于30%。更重要的是，在重型卡车的测试标准下，L1₀-Pt₅₀Ni₃₅Ga₁₅/C催化剂在0.7V的电压下能够产生1.67 A cm^-2的电流密度，同时在经过90000圈加速稳定性测试后，该催化剂在0.7V下仍能保持1.33 A cm^-2。总的来说，该团队所设计开发的催化剂在活性以及稳定性等关键指标上，均能够满足我国科技部及美国能源部2025年的指标。

图3.有序铂合金催化剂在乘用车以及重型卡车标准下的燃料电池性能测试

该团队利用金属材料及电催化表界面科学的学科交叉思路，为设计低成本、高活性以及长寿命的燃料电池阴极催化剂提供了可行的设计策略和规模化量产方案。该技术同时已申请并获得国家发明专利授权。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01901-4