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2025-04-25 14:00:43
【导(dǎo)语(yǔ)】氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)作(zuò)为(wèi)清(qīng)洁(jié)能(néng)源(yuán)领(lǐng)域的(de)佼(jiǎo)佼(jiǎo)者(zhě)，其核心反应氧(yǎng)还(hái)原(yuán)反(fǎn)应(yīng)（ORR）长(zhǎng)期(qī)依(yī)赖(lài)昂(áng)贵(guì)的(de)铂(bó)催(cuī)化(huà)剂(jì)，且(qiě)易(yì)受(shòu)甲(jiǎ)醇(chún)等(děng)杂(zá)质(zhì)影(yǐng)响(xiǎng)。近(jìn)日(rì)，金(jīn)陵(líng)理(lǐ)工(gōng)学(xué)院(yuàn)与(yǔ)南(nán)京(jīng)信(xìn)息(xi)工(gōng)程(chéng)大(dà)学(xué)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)在(zài)《Frontiers in Energy》上(shàng)发(fā)表(biǎo)了(le)一(yī)项(xiàng)突(tū)破(pò)性(xìng)研(yán)究(jiū)，成(chéng)功(gōng)开(kāi)发(fā)出(chū)一(yī)种(zhǒng)新(xīn)型(xíng)Fe-N-C催(cuī)化(huà)剂(jì)（Fe-PD/PGO），不(bù)仅(jǐn)性(xìng)能(néng)超(chāo)越(yuè)铂(bó)基(jī)催(cuī)化(huà)剂(jì)，且(qiě)甲(jiǎ)醇(chún)耐(nài)受(shòu)性(xìng)显(xiǎn)著(zhe)提(tí)升(shēng)，为(wèi)低(dī)成(chéng)本(běn)、高(gāo)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)的(de)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)带(dài)来(lái)了(le)新(xīn)的(de)希(xī)望(wàng)。这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)标(biāo)志(zhì)着(zhe)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)技(jì)术(shù)向(xiàng)“无(wú)铂(bó)时(shí)代(dài)”迈(mài)出(chū)了(le)重(zhòng)要(yào)一(yī)步(bù)。
氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)是(shì)清(qīng)洁(jié)能(néng)源(yuán)领(lǐng)域的(de)明(míng)星(xīng)技(jì)术(shù)，但(dàn)其(qí)核(hé)心(xīn)反(fǎn)应(yīng)——氧(yǎng)还(hái)原(yuán)反(fǎn)应(yīng)（ORR）依(yī)赖(lài)昂(áng)贵(guì)的(de)铂(bó)催(cuī)化(huà)剂(jì)，且(qiě)易(yì)被(bèi)甲(jiǎ)醇(chún)等(děng)杂(zá)质(zhì)“毒(dú)害(hài)”。近(jìn)日(rì)，金(jīn)陵(líng)理(lǐ)工(gōng)学(xué)院(yuàn)与(yǔ)南(nán)京(jīng)信息工程大学团队在《Frontiers in Energy》发表研究，开发出一种新型Fe-N-C催化剂（Fe-PD/PGO），其ORR半波电位达0.886 V（比铂基催化剂高37 mV），甲醇耐受性更是远超传统材料，为低成本、高稳定燃料电池带来突破。
铂基催化剂为何“失宠”？
铂催化剂虽性能优异，但每克成本超千元，且易被燃料中的甲醇“黏住”活性位点，导致反应效率骤降。近年来，科学家尝试用铁、氮共掺杂碳材料（Fe-N-C）替代铂，但这类材料常面临活性位点不足、结构不稳定等难题，如同“拼图少了关键一块”。
双氮源“打配合”：活性位点密度翻倍
研究团队创新性地引入两种氮源——氰基胍（DCDA）和聚苯胺（PANI），前者像“氮元素仓库”提供高浓度氮原子，后者则像“结构工程师”形成三维多孔网络。通过两步高温煅烧，最终合成的Fe-PD/PGO催化剂氮掺杂量达3.29%，比单氮源材料提升近一倍。电镜图像显示，材料表面布满2纳米级孔隙，比表面积高达639.1 m²/g，相当于每克材料铺开一个篮球场大小的活性表面。
性能逆袭：半波电位领先，甲醇中毒“免疫”
在0.1 mol/L氢氧化钾电解液中，Fe-PD/PGO的ORR半波电位达到0.886 V（vs. RHE），比商业铂基催化剂（0.849 V）提升37 mV，质量活性更是其1.24倍。更惊艳的是，当向电解液注入3 mol/L甲醇时，铂基催化剂电流密度暴跌，而Fe-PD/PGO仅轻微波动。团队解释称，双氮源形成的Fe-Nₓ活性位点能快速切断甲醇吸附，如同“自带排毒过滤器”。
寿命挑战铂基：万次循环衰减仅7 mV
传统Fe-N-C催化剂常因活性位点脱落而“短命”，但Fe-PD/PGO在1万次循环后，半波电位仅下降7 mV，电流保留率超95%。XPS分析表明，材料中吡啶氮（N-P）与石墨氮（N-G）的比例达0.84，这种高活性氮构型如同“分子胶水”，将铁原子牢牢锚定在碳骨架上，避免性能衰退。
产业化之路：从实验室到生产线
研究团队采用“溶胶-凝胶法+可控煅烧”工艺，原料成本不足铂基催化剂的1/10，且合成时间从传统72小时缩短至24小时。目前，该材料已通过小规模试产，未来有望用于车载燃料电池和金属空气电池。不过，团队指出，材料中残留的微量硅元素（约0.5%）可能影响长期稳定性，需进一步优化蚀刻工艺(yì)。
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