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12
2026
-
09
Nat. Commun.: 单原子表面偶极调控催化剂–离聚物界面，破解低铂燃料电池传质瓶颈
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背景
降低Pt用量是推动质子交换膜燃料电池（PEMFC）规模化应用的重要方向，但当阴极Pt负载降低至约0.1 mgPt cm⁻²时，高电流密度下的性能损失往往显著增加。问题并不完全来自ORR催化剂本身，而与催化层中Pt/C–离聚物构成的三相界面密切相关。传统Pt/C具有明显的表面化学非均一性：离聚物中的磺酸根容易强烈吸附在Pt表面，占据催化活性位点并造成局部离聚物变形，从而增加O₂传输阻力；另一方面，离聚物与碳载体之间相互作用较弱，又容易发生不均匀聚集，造成质子传导路径不连续。因此，低Pt催化层实际上存在一个两难问题——离聚物必须靠近Pt才能输送质子，却又不能过度吸附和覆盖Pt，否则会同时阻碍ORR活性位点和O₂传输。已有介孔碳限域、石墨烯包覆等策略主要通过物理隔离减少离聚物与Pt直接接触，而更进一步的问题是，能否直接调节催化剂表面的化学环境，让离聚物在催化层中“该覆盖的地方均匀覆盖、该暴露的Pt保持暴露”。
创新
近日，哈尔滨工业大学尹鸽平、孔凡鹏教授团队联合加拿大西安大略大学孙学良院士在Pt/C表面构筑由单Co原子形成的偶极层（SCDC-Pt），利用单原子位点高度局域化的正电荷，与离聚物侧链中的负电磺酸根产生偶极–磺酸根库仑捕获作用。这种设计并不是简单把离聚物排斥在Pt之外，而是通过改变整个催化剂表面的电荷分布重新调节离聚物的吸附位置：带正电的Co偶极位点成为磺酸根优先作用位点，使离聚物在Pt/C表面分布更加均匀，同时降低磺酸根直接吸附于Pt活性位点造成的毒化。Operando XAS、ATR-FTIR、电化学诊断与理论计算共同表明，这种界面重构既提高了三相界面的可达性，又改善了局部O₂扩散。SCDC-Pt的表观磺酸根覆盖率由商业Pt/C的约20%降低至约8%，局部O₂传输阻力由48.1降至38.6 S m⁻¹。由此构筑的MEA峰值功率密度达到1.4 W cm⁻²，明显高于商业Pt/C的0.86 W cm⁻²；同时，Co单原子偶极层还通过类似“钉扎”的作用稳定Pt几何结构，使MEA经过30,000次方波循环后，在0.8 A cm⁻²下仅损失26 mV，而商业Pt/C损失达到75 mV。
意义
这项工作的核心意义在于，它将低Pt燃料电池催化层设计从“优化催化剂”和“优化离聚物”进一步推进到对二者之间分子级相互作用的主动编程。传统思路往往试图减少离聚物覆盖Pt，甚至通过物理屏障将两者隔开，但离聚物本身又是建立质子传输网络不可缺少的组分，因此真正需要解决的并不是“有没有离聚物”，而是“离聚物在哪里、以什么方式与催化剂接触”。单原子偶极层相当于在Pt/C表面引入大量具有明确电荷特征的“离聚物锚定位点”，通过库仑作用重新分配磺酸根，使质子传导所需的离聚物覆盖与ORR所需的Pt/O₂可达性实现空间协调，同时兼顾催化剂结构稳定性。由此建立起“单原子表面偶极→磺酸根定向捕获→离聚物均匀分布→Pt毒化减弱/O₂传质改善→高性能高稳定MEA”的跨尺度关系。更广泛地看，这项研究说明单原子位点的价值并不限于直接参与催化反应，还可以作为调控局部电场和界面分子组装的功能单元，为燃料电池以及其他具有复杂催化剂–离聚物界面的电化学器件提供了一种从“催化活性设计”走向“界面微环境设计”的新思路。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/vt0KQnjLMqqd1uxBv2Ig6w
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