2025-04-25 14:00:05
【导语】氢燃料电池作为清洁能源领域的佼佼者，其核心反应氧还原反应（ORR）长期依赖昂贵的铂催化剂，且易受甲醇等杂质影响。近日，金陵理工学院与南京信息工程大学的研究团队在《Frontiers in Energy》上发表了一项突破性研究，成功开发出一种新型Fe-N-C催化剂（Fe-PD/PGO），不仅性能超越铂基催化剂，且甲醇耐受性显著提升，为低成本、高稳定性的燃料电池带来了新的希望。这项研究标志着燃料电池技术向“无铂时代”迈出了重要一步(bù)。
氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)是(shì)清(qīng)洁(jié)能(néng)源(yuán)领(lǐng)域的(de)明(míng)星(xīng)技(jì)术(shù)，但(dàn)其(qí)核(hé)心(xīn)反(fǎn)应(yīng)——氧(yǎng)还(hái)原(yuán)反(fǎn)应(yīng)（ORR）依(yī)赖(lài)昂(áng)贵(guì)的(de)铂(bó)催(cuī)化(huà)剂(jì)，且(qiě)易(yì)被(bèi)甲(jiǎ)醇(chún)等(děng)杂(zá)质(zhì)“毒(dú)害(hài)”。近(jìn)日(rì)，金(jīn)陵(líng)理(lǐ)工(gōng)学(xué)院(yuàn)与(yǔ)南(nán)京(jīng)信(xìn)息(xi)工(gōng)程(chéng)大(dà)学(xué)团(tuán)队(duì)在(zài)《Frontiers in Energy》发(fā)表(biǎo)研(yán)究(jiū)，开(kāi)发(fā)出(chū)一(yī)种(zhǒng)新(xīn)型(xíng)Fe-N-C催(cuī)化(huà)剂(jì)（Fe-PD/PGO），其(qí)ORR半(bàn)波(bō)电(diàn)位(wèi)达(dá)0.886 V（比(bǐ)铂(bó)基(jī)催(cuī)化(huà)剂(jì)高(gāo)37 mV），甲(jiǎ)醇(chún)耐(nài)受(shòu)性(xìng)更(gèng)是(shì)远(yuǎn)超(chāo)传(chuán)统(tǒng)材(cái)料(liào)，为(wèi)低(dī)成(chéng)本(běn)、高(gāo)稳(wěn)定(dìng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)带(dài)来(lái)突(tū)破(pò)。
铂(bó)基(jī)催(cuī)化(huà)剂(jì)为(wèi)何(hé)“失(shī)宠(chǒng)”？
铂(bó)催(cuī)化(huà)剂(jì)虽(suī)性(xìng)能(néng)优(yōu)异(yì)，但(dàn)每(měi)克(kè)成(chéng)本(běn)超(chāo)千(qiān)元(yuán)，且(qiě)易(yì)被(bèi)燃(rán)料(liào)中(zhōng)的(de)甲(jiǎ)醇(chún)“黏(nián)住(zhù)”活(huó)性(xìng)位(wèi)点(diǎn)，导(dǎo)致(zhì)反(fǎn)应(yīng)效(xiào)率(lǜ)骤(zhòu)降(jiàng)。近(jìn)年(nián)来(lái)，科(kē)学(xué)家(jiā)尝(cháng)试(shì)用(yòng)铁(tiě)、氮(dàn)共(gòng)掺(càn)杂(zá)碳(tàn)材(cái)料(liào)（Fe-N-C）替(tì)代(dài)铂(bó)，但(dàn)这(zhè)类(lèi)材(cái)料(liào)常(cháng)面(miàn)临(lín)活(huó)性(xìng)位(wèi)点(diǎn)不(bù)足(zú)、结(jié)构(gòu)不(bù)稳(wěn)定(dìng)等(děng)难(nán)题(tí)，如(rú)同(tóng)“拼(pīn)图(tú)少(shǎo)了(le)关键一(yī)块(kuài)”。
双(shuāng)氮(dàn)源(yuán)“打(dǎ)配(pèi)合(hé)”：活(huó)性(xìng)位(wèi)点(diǎn)密(mì)度(dù)翻(fān)倍
研究团队创新性地引入两种氮源——氰基胍（DCDA）和聚苯胺（PANI），前者像“氮元素仓库”提供高浓度氮原子，后者则像“结构工程师”形成三维多孔网络。通过两步高温煅烧，最终合成的Fe-PD/PGO催化剂氮掺杂量达3.29%，比单氮源材料提升近一倍。电镜图像显示，材料表面布满2纳米级孔隙，比表面(miàn)积(jī)高(gāo)达(dá)639.1 m²/g，相当于每克材料铺开一个篮球场大小的活性表面。
性能逆袭：半波电位领先，甲醇中毒“免疫”
在0.1 mol/L氢氧化钾电解液中，Fe-PD/PGO的ORR半波电位达到0.886 V（vs. RHE），比商业铂基催化剂（0.849 V）提升37 mV，质量活性更是其1.24倍。更惊艳的是，当向电解液注入3 mol/L甲醇时，铂基催化剂电流密度暴跌，而Fe-PD/PGO仅(jǐn)轻(qīng)微(wēi)波(bō)动(dòng)。团(tuán)队(duì)解(jiě)释(shì)称(chēng)，双(shuāng)氮(dàn)源(yuán)形(xíng)成(chéng)的(de)Fe-Nₓ活(huó)性(xìng)位(wèi)点(diǎn)能(néng)快(kuài)速(sù)切(qiè)断(duàn)甲(jiǎ)醇(chún)吸(xī)附(fù)，如(rú)同(tóng)“自(zì)带(dài)排(pái)毒(dú)过(guò)滤(lǜ)器(qì)”。
寿(shòu)命(mìng)挑(tiāo)战(zhàn)铂(bó)基(jī)：万(wàn)次(cì)循(xún)环(huán)衰(shuāi)减(jiǎn)仅(jǐn)7 mV
传(chuán)统(tǒng)Fe-N-C催(cuī)化(huà)剂(jì)常(cháng)因(yīn)活(huó)性(xìng)位(wèi)点(diǎn)脱(tuō)落(luò)而(ér)“短命”，但Fe-PD/PGO在1万次循环后，半波电位仅下降7 mV，电流保留率超95%。XPS分析表明，材料中吡啶氮（N-P）与石墨氮（N-G）的比例达0.84，这种高活性氮构型如同“分子胶水”，将铁原子牢牢锚定在碳骨架上，避免性能衰退。
产业化之路：从实验室到生产线
研究团队采用“溶胶-凝胶法+可控煅烧”工艺，原料成本不足铂基催化剂的1/10，且合成时间从传统72小时缩短至24小时。目前，该材料已通过小规模试产，未来有望用于车载燃料电池和金属空气电池。不过，团队指出，材料中残留的微量硅元素（约0.5%）可能影响长期稳定性，需进一步优化蚀刻工艺。
这项研究不仅打破了铂基催化剂的性能垄断，更揭示了双氮源协同设计的巨大潜力。随着工艺迭代，燃料电池的“无铂时代”或许不再遥远。
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