孙世刚教授团队在非贵金属基阴极催化剂的质子交换膜燃料电池性能优化研究取得新进展

近日，化学化工学院姜艳霞教授、黄蕊工程师、孙世刚院士课题组在非贵金属基阴极催化剂的质子交换膜燃料电池性能优化研究取得新进展，相关研究成果以“A Fe-NC electrocatalyst boosted by trace bromide ions with high performance in proton exchange membrane fuel cells”为题发表于Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-024-51858-w)。

贵金属铂（Pt）基催化剂因其高效催化氧气还原反应（ORR）的能力，在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中起着关键作用。然而，Pt的稀缺性和高成本限制了质子交换膜燃料电池的大规模商业化。非贵金属催化剂价格低廉、资源丰富，已被证明具有优异的酸性ORR性能。为此，研究者们正积极探索开发非贵金属催化剂，以降低成本并实现可持续发展。

研究团队通过在热解过程中引入NH₄Cl和NH₄Br，利用其分解产生的NH₃和酸性气体HCl、HBr，实现调控碳载体的微观结构和活性位点的化学环境的目的，成功开发出一种高效的Fe-NC催化剂。NH₄Cl和NH₄Br的高温处理具有三重作用：形成高密度碳缺陷；创造丰富的介孔结构；表面微量溴离子掺杂，这些因素显著提升了Fe-NC催化剂的ORR活性。实验结果表明，表面溴离子的引入使得离子聚合物在催化层表面的分布更加均匀，进而实现了更丰富的三相界面、更快速的氧气传输和界面电荷转移路径。该催化剂（Fe–NC^BrCl）的性能超越了美国能源部（DOE）2025年的指标，在氧气和空气环境下分别实现了1.86和0.88 W cm⁻²的峰值功率密度，并在0.9 V_iR-free条件下达到了54 mA cm⁻²的电流密度。这一成果为在PEMFCs中取代铂基催化剂，最终克服现有PEMFCs的成本障碍提供了可能。

该研究工作在姜艳霞教授﹑黄蕊工程师和孙世刚教授的共同指导下完成，2021级博士生殷述虎、2022级硕士陈龙、重庆大学杨健副教授为论文第一作者。程晓阳博士﹑曾鸿彬博士、孟贵林博士等在材料的表征和分析上给予了重要帮助，重庆大学化学化工学院杨健副教授在理论计算上提供了重要指导，嘉庚创新实验室洪宇浩工程师在二次飞行质谱表征上给予了重要帮助。研究工作得到国家自然科学基金项目（22288102、22172134）等资助，以及固体表面物理化学国家重点实验室的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51858-w

（化学化工学院）

标签：催化剂  质子  表面