寿命超过20万小时，黄昱教授最新Nature Nanotechnology

【科学背景】

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其高能量密度和可扩展性，在重型车辆（HDV）应用中展现出替代锂离子电池的潜力。然而，HDV的独特运行条件（如长距离行驶、高负载工况）对燃料电池的耐久性和效率提出了远超轻型车辆（LDV）的严苛要求。美国能源部（DOE）为此设定了HDV燃料电池的终极目标：寿命需从LDV的8000小时提升至30000小时，效率从70%提升至72%。然而，当前技术（如商用Pt/C催化剂）在长期运行中面临铂（Pt）颗粒聚集、溶解及离聚物中毒等问题，导致性能显著衰减。例如，商用催化剂在90000次方波加速应力测试（AST）后功率损失高达17.5%-39.6%，远未达到DOE目标。此外，传统碳包覆策略虽能提升稳定性，却以牺牲初始活性为代价；而合金催化剂（如PtCo）则存在非贵金属浸出引发的阳离子毒化问题。因此，开发兼具高活性、超长耐久性且适应HDV工况的新型Pt基催化剂，成为推动燃料电池商业化应用的核心挑战。

【创新成果】

针对以上问题，加州大学洛杉矶分校黄昱教授课题组报道了一种基于Ketjenblack碳载体的石墨烯纳米袋保护、孔限域且电化学可及的Pt纳米催化剂（Pt@Gnp/KB）的设计。由该纳米催化剂制备的膜电极组件（MEA）表现出0.74 A mgPt⁻¹​的初始质量活性、1.08 W cm⁻²的高额定功率密度，以及经过9万次剧烈方波循环后仅1.1%的极低功率损失。该催化剂卓越的活性和耐久性使得燃料电池寿命超过20万小时，峰值效率达71.9%，远超美国能源部（DOE）设定的2050年重型车辆终极目标。该催化剂通过抑制Pt颗粒聚集、溶解，显著提升了燃料电池的长期稳定性，为重型车辆应用提供了极具吸引力的解决方案。相关研究成果以“Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications”为题，发表在最新一期的Nature Nanotechnology上。

【图文解析】

图1 所研制催化剂的总体性能和结构表征© 2025 Springer Nature 

图2 comm-Pt/VC、comm-Pt/KB及Pt@Gnp/KB催化剂的燃料电池性能评价© 2025 Springer Nature 

图3 燃料电池效率和寿命预测© 2025 Springer Nature 

图4 EOL催化剂的表征、粒度分布分析及相应的MEA测试结果© 2025 Springer Nature 

【科学启迪】

该项研究开发了一种高度孔隙限制且表面受保护的Pt纳米催化剂，该催化剂在重型车辆燃料电池应用中表现出前所未有的耐久性。该催化剂提供了高达1.08 W cm⁻²的初始功率密度，在9万次方波周期的加速应力测试（AST）后仍保持98.9%的功率密度保留率。基于仅0.054 µV/循环的平均电压衰减率，该燃料电池寿命预计超过20万小时，是DOE 2050年HDVs目标的7倍以上。优异的催化剂耐久性可归因于高度的孔隙限制和可触及的石墨烯层的保护作用。除了大大减少Pt的溶解和颗粒尺寸的增长外，保护石墨烯层还减轻了离子单体的毒化作用。尽管初始电化学活性表面积（ECSA）损失超过40%，催化剂仍保持0.74 A mgPt^-1的质量活性和87.8%的MA活性保留率，最终实现了71.9%的峰值效率。这一突破性进展显著提升了质子交换膜燃料电池在重型车辆应用中的商业化潜力，在解决燃料电池技术的耐久性和效率瓶颈方面具有巨大的潜力。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01895-3

本文由小艺撰稿