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燃燃料料电电池池催催化化剂剂性性能能改改进进策策略略与与技技术术进进展展

一一、、燃燃料料电电池池催催化化剂剂的的科科学学基基础础与与挑挑战战

（（一一））燃燃料料电电池池反反应应机机解解析析

燃料电池的电化学反应主要发生在催化剂表面，其中氧还原反应（ORR）和氢氧化反应（HOR）是决定能量转换效率的关键

过程。在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，阴极侧的ORR动力学缓慢，需要高效催化剂加速反应进程。铂基催化剂因其优

异的催化活性和化学稳定性，目前仍是商业应用的主流选择。然而，铂的稀缺性和高成本严重制约了燃料电池的大规模应用，

这促使研究者从材料设计、结构优化和制备工艺等多个维度寻求突破。

（（二二））现现存存技技术术瓶瓶颈颈分分析析

现有催化剂体系面临三大核心挑战：活性位点暴露不足导致的低质量活性、长期运行中的材料降解问题，以及复杂工况下的传

质限制。实验数据显示，商用Pt/C催化剂在0.9V电位下的质量活性仅为0.1-0.15A/mgPt，远低于美国能源部设定的0.44

A/mgPt目标值。同时，在启停循环和电压波动条件下，铂纳米颗粒的团聚、溶解现象导致活性面积损失可达40%以上。

二二、、新新型型催催化化剂剂材材料料体体系系的的创创新新研研究究

（（一一））非非贵贵金金属属催催化化剂剂开开发发

过渡金属-氮-碳（M-N-C）材料作为最具潜力的替代方案，其活性中心构效关系研究取得重要进展。通过同步辐射X射线吸收

谱（XAS）分析证实，Fe-N4配位结构在酸性介质中展现的ORR半波电位可达0.82V（vs.RHE）。202年麻省工学院团队

报道的钴基单原子催化剂，在1.0A/cm²电流密度下稳定运行超过500小时，标志着非贵金属催化剂实用化进程的重大突破。

（（二二））铂铂基基合合金金体体系系优优化化

Pt-M（M=Co、Ni、Fe）合金催化剂通过应变效应和配体效应协同提升本征活性。日本京都大学研究组制备的PtCo@Pt核壳

结构催化剂，表面压缩应变使d带中心下移0.15eV，ORR质量活性提升至0.56A/mgPt。值得注意的是，过渡金属溶出问题仍

是制约合金催化剂耐久性的关键因素，通过梯度组分设计和表面钝化处可将金属溶出率降低至传统合金的1/。

三三、、纳纳米米结结构构工工程程与与表表界界面面调调控控

（（一一））形形貌貌控控制制技技术术进进展展

各向异性纳米结构的可控合成显著提升催化性能。中国科学技术大学开发的二十四面体PtNi纳米框架催化剂，通过高指数晶面

暴露和三维贯通孔道设计，将电化学活性面积（ECSA）提高至120m²/g，较传统球形颗粒提升2倍。美国阿贡国家实验室利

用原子层沉积（ALD）技术制备的Pt单原子层催化剂，实现了100%的原子利用率，质量活性达到创纪录的.A/mgPt。

（（二二））载载体体材材料料创创新新

氮掺杂碳纳米管、石墨烯气凝胶等新型载体材料展现出独特的优势。清华大学开发的D介孔石墨烯载体，其分级孔结构（2-

50nm）有效缓解了传质限制，在2A/cm²高电流密度下电压衰减小于5%。更为重要的是，通过共价键锚定策略，催化剂-载体

相互作用强度提升倍，循环测试后粒径分布标准差保持在0.8nm以内。

四四、、先先进进制制备备工工艺艺与与表表征征技技术术

（（一一））微微纳纳制制造造技技术术创创新新

脉冲电沉积、超临界流体沉积等新型制备方法推动催化剂性能突破。德国马普学会采用微乳液模板法合成的PtCo纳米笼结

构，壁厚精确控制在-5原子层，表面应变达到最优值（ε=2.1%）。韩国科学技术院发展的激光烧蚀法，可在毫秒时间尺度内

完成合金化过程，实现纳米颗粒成分的精准控制（偏差0.5at%）。

（（二二））原原位位表表征征技技术术应应用用

同步辐射X射线衍射（XRD）与差分电化学质谱（DEMS）联用技术，成功揭示了催化剂动态演化规律。加州工学院团队通

过operandoXAFS观测发现，ORR过程中Pt-Pt键长收缩0.02Å，表面氧物种覆盖度达到0.75ML时发生反应路径转变。这些发

现为性设计提供了直接实验依据。

五五、、耐耐久久性性提提升升策策略略与与失失效效机机制制

（（一一））衰衰减减机机深深度度解解析析

通过加速衰减测试（ADT）结合透射电镜（TEM）分析，确认了三大衰减机制：奥斯特瓦尔德熟化导致的颗粒粗化（贡献率

约45%）、碳载体腐蚀引起的活性物质脱落（约5%）、以及金属溶解-再沉积造成的活性