2025-04-25 14:00:06
【导语】在探索清洁能源的征途中，氢燃料电池凭借高效环保特性备受瞩目。然而，传统碳载铂催化剂在酸性环境下的腐蚀及易受一氧化碳中毒问题，成为制约其发展的关键瓶颈。近日，福州大学与上海大学联合团队在《Frontiers in Energy》上发表研究，成功研发出一种新型铂基催化剂Pt/TiO₂-Ov，其抗CO中毒性能显著提升，为氢燃料电池的稳定运行与寿命延长带来重大突破。该研究成果不仅为氢燃料电池提供了有效的“抗毒解药”，更为设计高性能、低成本的非碳载体催化剂开辟了新路径，预示着清洁能源“铂金时代”的到来。
在追求清洁能源的道路上，氢燃料电池因高效、零排放备受关注。然而，传统碳载铂催化剂在酸性环境下的腐蚀问题，以及易受一氧化碳（CO）中毒的缺陷，始终是技术瓶颈。近日，福州大学与上海大学联合团队在《Frontiers in Energy》发表研究，成功开发出一种新型铂基催化剂（Pt/TiO₂-Ov），其抗CO中毒性能较传统催化剂提升近3倍，为氢燃料电池的稳定性与寿命带来突破。
传统催化剂为何“脆弱”？
氢燃料电池的核心反应——氢氧化反应（HOR）和氧还原反应（ORR），依赖铂催化剂加速反应。但传统碳载体在酸性条件下易腐蚀，导致铂颗粒脱落；更棘手的是，燃料中微量CO会像“胶水”一样牢牢吸附在铂表面，抢占活性位点，使催化剂“罢工”。此前，科学家尝试用金属氧化物替代碳载体，但低导电性和稳定性不足限制了应用。
氧空位“助攻”，电子传递提速
研究团队另辟蹊径，选择二氧化钛（TiO₂）为载体，并通过微波辅助合成技术(shù)，在(zài)TiO₂表(biǎo)面(miàn)制(zhì)造大量氧空位（Ov）。这些氧空位如同“电子高速公路”，促进铂与载体间的电子传递（EMSI效应），使铂颗粒更稳定地锚定在载体上。实验显示，Pt/TiO₂-Ov的铂颗粒仅2.75纳米，均匀分散，且氧空位将TiO₂的带隙从3.2 eV降至2.97 eV，显著提升了导电性。
抗CO性能“逆天”，活性更持久
在模拟燃料电池实际工况的测试中，Pt/TiO₂-Ov展现出惊人优势：
抗CO中毒：向氢气中注入1000 ppm CO后，Pt/TiO₂-Ov的电流密度仅衰减3.67%，而传统Pt/C衰减近3倍。XPS分析表明，氧空位促使电子从TiO₂流向铂，削弱了铂与CO的结合力，使其更易被氧化清除。
双效活性：在0.1 mol/L高氯酸中，Pt/TiO₂-Ov的HOR质量活性是Pt/C的1.24倍；ORR半波电位（0.88 V）也优于Pt/C（0.87 V）。
超长寿命：经过5000次加速老化测试，Pt/TiO₂-Ov的半波电位仅下降7 mV，活性保留率超65%，远高于Pt/C的43.5%。
技术落地：从实验室到生产线
研究团队采用“溶胶-凝胶法+氢退火”工艺，结合微波快速还原技术，成功实现催化剂的规模化制备。该方法避免高温烧结导致的铂颗粒团聚，且工艺耗时短、成本可控，为产业化铺平道路。未来，该催(cuī)化(huà)剂(jì)有(yǒu)望(wàng)应(yīng)用(yòng)于(yú)车(chē)载(zài)氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)，解(jiě)决(jué)CO中(zhōng)毒(dú)导(dǎo)致(zhì)的(de)“续(xù)航(háng)焦(jiāo)虑(lǜ)”。
挑(tiāo)战(zhàn)与(yǔ)展(zhǎn)望(wàng)
尽(jǐn)管(guǎn)性(xìng)能(néng)卓(zhuō)越(yuè)，团(tuán)队(duì)指(zhǐ)出(chū)，二(èr)氧(yǎng)化(huà)钛(tài)载(zài)体(tǐ)中(zhōng)残(cán)留(liú)的(de)微(wēi)量(liàng)硅(guī)（约(yuē)5.08%）可(kě)能(néng)影(yǐng)响(xiǎng)长(zhǎng)期(qī)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)，需(xū)进(jìn)一(yī)步(bù)优(yōu)化(huà)蚀(shí)刻(kè)工(gōng)艺(yì)。此(cǐ)外(wài)，如(rú)何(hé)平(píng)衡(héng)氧(yǎng)空(kōng)位(wèi)浓(nóng)度(dù)与(yǔ)载(zài)体(tǐ)强(qiáng)度(dù)，仍(réng)是(shì)提(tí)升(shēng)导(dǎo)电(diàn)性(xìng)与(yǔ)耐(nài)久(jiǔ)性(xìng)的(de)关键。
这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)不(bù)仅(jǐn)为(wèi)氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)提(tí)供(gōng)了(le)“抗(kàng)毒(dú)解(jiě)药(yào)”，也(yě)为(wèi)设(shè)计(jì)高(gāo)稳(wěn)定(dìng)、低(dī)成(chéng)本(běn)的(de)非(fēi)碳(tàn)载(zài)体(tǐ)催(cuī)化(huà)剂(jì)开(kāi)辟(pì)了(le)新(xīn)思(sī)路。随(suí)着(zhe)技(jì)术(shù)迭(dié)代(dài)，清(qīng)洁(jié)能(néng)源(yuán)的(de)“铂(bó)金(jīn)时(shí)代(dài)”或(huò)将(jiāng)来临。
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