界面金属配位策略制备高性能燃料电池催化剂，推动 PEMFC 电动汽车发展

研究人员为解决 PEMFCs 中 Pt 催化剂问题，开展 PtCo/Sn–N–C 催化剂研究，提升性能，为 PEMFC 供氢可行。

　　

质子交换膜燃料电池的 “救星”：新型催化剂的诞生

在当今能源转型的浪潮中，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）凭借高功率密度、长寿命和出色的能量转换效率，成为氢能源汽车领域的 “潜力股”，有望为交通出行带来一场绿色变革。然而，PEMFCs 的发展并非一帆风顺，它就像一个挑剔的 “食客”，对氢气的纯度要求极高，这使得系统成本居高不下。目前，全球 95% 的氢气供应是灰氢和蓝氢，其中都含有有害的一氧化碳（CO）杂质，而绿色氢气虽环保，但成本却是灰氢和蓝氢的 2.5 至 4.6 倍，这无疑给 PEMFCs 的大规模应用泼了一盆冷水。

铂（Pt）作为燃料电池的 “明星” 催化剂，也有着自己的 “短板”。在 PEMFCs 中，它不仅氧还原反应（ORR）活性有限，而且对 CO 极为敏感。CO 就像一个 “捣乱分子”，会牢牢吸附在 Pt 表面，毒害其活性位点，严重影响燃料电池的性能。尽管科研人员已经尝试了多种方法来提升 Pt 的 ORR 活性和 CO 耐受性，但效果仍不尽人意，开发兼具高 CO 耐受性和卓越 ORR 活性的 Pt 型催化剂，成为了科研领域的一大挑战。

为了攻克这些难题，来自 [作者单位未提及，假设为某国际科研团队] 的研究人员展开了一场科研攻关，他们的研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为 PEMFCs 的发展带来了新的曙光。

研究方法：多技术联用，解锁催化剂奥秘

研究人员采用了多种先进的技术方法来探索新型催化剂的性能与机制。他们通过湿浸渍法，将锡酞菁（SnPc）、铂（II）乙酰丙酮 [Pt (acac)₂] 和钴（III）乙酰丙酮 [Co (acac)₃] 负载在碳载体上，再经过高温退火和酸洗处理，制备出了 PtCo/Sn–N–C 催化剂。利用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）和 X 射线吸收光谱（XAS）等技术，对催化剂的结构、成分和电子状态进行了详细表征。在电化学性能测试方面，运用循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）、加速耐久性测试（ADT）等手段，评估了催化剂的 ORR 活性、稳定性和 CO 耐受性。此外，借助原位表面增强红外吸附光谱（SEIRAS）和密度泛函理论（DFT）计算，深入探究了催化剂的作用机制。

研究结果：性能卓越，新型催化剂实力超群

1. 催化剂结构与成分：HAADF - STEM 图像显示，PtCo/Sn–N–C 纳米颗粒均匀分散在碳载体上，平均直径为 3.0±0.8nm，Pt 负载量为 21.2wt%。XRD 分析表明，其结构与 L1₀-PtCo 金属间相相符。XPS 和 XAS 分析揭示了 PtCo/Sn–N–C 中存在 Pt–Sn–N 配位键，且 Sn 以单原子形式存在，精确调控了 PtCo 的电子结构。

2. 电化学性能：在 ORR 活性测试中，PtCo/Sn–N–C 表现出色，质量活性（MA）达到 1.65A mg_Pt^?1，显著优于商业 Pt/C（0.27A mg_Pt^?1）。ADT 测试显示，经过 30k 次循环后，PtCo/Sn–N–C 的 MA 仅下降 21.8%，而 Pt/C 下降了 85.2%，展现出良好的稳定性。在 CO 耐受性测试中，PtCo/Sn–N–C 在 CO/H₂气氛下，阳极氢氧化反应（HOR）的电流密度下降幅度极小，相比商业 Pt/C，其 CO 耐受性提升了 7.8 倍。

3. 燃料电池性能：将 PtCo/Sn–N–C 用作膜电极组件（MEA）的阴极和阳极催化剂，在 H₂-O₂条件下，MEA 的初始 MA 在 0.9V_iR-free时达到 0.94A mg_Pt^?1，远超商业 Pt/C 和美国能源部（DOE）2025 年的目标。在 H₂-air 条件下，其峰值功率密度（PPD）达到 1.33W cm^?2，同样优于商业 Pt/C 和 PtCo/N–C。在模拟灰氢环境（100ppm CO/H₂）中，PtCo/Sn–N–C 基 MEA 的 PPD 高达 2.11W cm^?2，超过了此前报道的所有 PEMFCs，并且在 CO/H₂-air 条件下可稳定运行 710 小时以上。

4. 作用机制：XPS 分析表明，PtCo/Sn–N–C 中存在电子转移，降低了 Pt 的 d 带中心能量，提高了 ORR 催化效率。SEIRAS 测试发现，Sn 的存在削弱了 Pt 对 CO 的吸附，促进了 CO 向 CO₂的转化。DFT 计算显示，PtCo/Sn–N–C 的 ORR 反应能垒比 PtCo/N–C 低 0.26eV，CO 吸附能比 PtCo/N–C 弱 0.27eV，这解释了其高 ORR 活性和 CO 耐受性的原因。

研究结论与意义：开启 PEMFC 新征程

研究人员通过界面金属配位策略，成功制备了 PtCo/Sn–N–C 双功能金属间催化剂。该催化剂通过形成 Pt–Sn–N 配位键，显著提升了 ORR 活性、CO 耐受性和稳定性。与商业 Pt/C 相比，PtCo/Sn–N–C 的 ORR 性能提升了 6.1 倍，CO 耐受性提升了 7.8 倍。PtCo/Sn–N–C 基 MEA 在 100ppm CO 污染的 H₂/O₂中达到了创纪录的功率密度，且能在 CO/H₂-air 中稳定运行。这一研究成果不仅为制备高效耐用的双功能燃料电池催化剂提供了新方法，还证明了 PEMFC 直接使用含 CO 的灰氢和蓝氢的可行性，为 PEMFC 驱动的能源汽车发展开辟了新道路，有望加速氢能源在交通领域的广泛应用，推动全球能源转型的进程。