化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院助理教授李慧齊（張雷特聘教授團(tuán)隊(duì)）與美國(guó)康奈爾大學(xué)He?ctor D. Abrun?a院士團(tuán)隊(duì)合作，在陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）催化劑設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)成果以“Rational design of high-performance low-loading oxygen reduction catalysts for alkaline fuel cells”為題發(fā)表于Nature Materials期刊上。李慧齊為論文第一作者，深圳大學(xué)為第二單位。

氫能燃料電池是實(shí)現(xiàn)零碳能源的重要途徑，其中基于堿性介質(zhì)的AEMFCs因允許使用更豐富、低成本的催化材料，為未來(lái)氫燃料電池的推廣帶來(lái)了可能。然而，限制其發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸仍在于氧還原反應(yīng)（ORR）動(dòng)力學(xué)緩慢，而當(dāng)前對(duì) ORR 機(jī)理的認(rèn)識(shí)主要來(lái)源于酸性體系，在堿性條件下并不適用。

在酸性體系中，一個(gè)常用的ORR 描述符是氧或羥基物種（*O 或 *OH）的吸附能。Sabatier 原理指出，催化劑活性在中等吸附能時(shí)最高，這構(gòu)成了典型“火山圖”的基礎(chǔ)，并被廣泛用于預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì) Pt 基 ORR 催化劑。在酸性環(huán)境中，由于 Pt 的氧吸附能偏強(qiáng)，通過(guò)削弱吸附能可以有效提升其 ORR 活性。然而，這一規(guī)律在堿性體系中并不適用。例如，Pd 在酸中因氧吸附過(guò)強(qiáng)而表現(xiàn)不如 Pt，但在堿性中卻反而具有更優(yōu)的 ORR 活性。這一差異體現(xiàn)了電解質(zhì) pH 對(duì) ORR 動(dòng)力學(xué)的重要影響，因此有必要重新評(píng)估現(xiàn)有的催化劑設(shè)計(jì)原則。盡管已有一些工作嘗試解釋這一現(xiàn)象，但目前對(duì)于金屬表面堿性 ORR 活性的主控因素仍缺乏共識(shí)。

針對(duì)這一難題，李慧齊助理教授與美國(guó)康奈爾大學(xué)He?ctor D. Abrun?a院士團(tuán)隊(duì)等提出了一個(gè)適用于堿性介質(zhì)的“修正火山圖”模型，將吸附態(tài) OH 的覆蓋度（Θ*OH）和界面電場(chǎng)等關(guān)鍵因素納入考慮。該模型預(yù)測(cè)：在堿性體系中，引入拉伸應(yīng)變將提升 Pt 的 ORR 活性。基于這一思路，研究者構(gòu)筑了一種三明治式的 PdHx@Pt 納米片（NS）催化劑結(jié)構(gòu)。將具有 {111} 晶面的 Pt 納米片生長(zhǎng)在 PdHx 基底上，不僅引入了拉伸應(yīng)變和高比表面積，也同時(shí)改善了 Pd 基的氧化穩(wěn)定性。

該P(yáng)dHx@Pt NS 催化劑在堿性介質(zhì)中展現(xiàn)出遠(yuǎn)超商業(yè) Pt/C 的活性（質(zhì)量活性提高 49 倍）。在H2–O2燃料電池測(cè)試條件下，該陰極催化劑在僅 10 μg cm-2 的極低負(fù)載下即可實(shí)現(xiàn) 1.67 W cm-2 的峰值功率密度；當(dāng)陰陽(yáng)極總催化劑負(fù)載降低至 60 μg cm-2 時(shí)仍能保持 1.3 W cm-2，創(chuàng)下當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道中最低鉑族金屬 （PGM）用量下的燃料電池性能紀(jì)錄。進(jìn)一步優(yōu)化后，該體系可達(dá)到 21.7 W mg?1 PGM 的峰值比功率密度，催化劑總成本僅 1.27 美元 / kW，全面超越美國(guó)能源部（DOE）制定的鉑族金屬用量與成本目標(biāo)。

這一成果展示了從機(jī)理認(rèn)知到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再到電池驗(yàn)證的完整科學(xué)路徑，為構(gòu)建下一代高性能、低成本燃料電池催化劑提供了新思路。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02422-4