【科学前沿】材料学院李箐团队研究成果揭示电化学环境中的铂基合金催化剂界面动态响应过程

（新闻来源：https://news.hust.edu.cn/info/1003/51257.htm）

新闻网讯（通讯员 刘轩）1月11日，《美国化学会志》（J.Am. Chem. Soc.）期刊在线刊发了材料学院李箐教授团队最新研究成果“引入电子缓冲剂抑制金属间铂合金的表面极化用于高性能燃料电池”（Introducing Electron Buffers into Intermetallic Pt Alloys against Surface Polarization for High-Performing Fuel Cells），材料学院2020级博士生刘轩为论文第一作者，李箐为论文通讯作者，我校材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为第一完成单位及第一通讯单位，材料学院黄云辉教授、中国科学院物理研究所的苏东研究员及以色列Bar-Ilan University的Lior Elbaz教授等对该工作的材料表征和数据分析提供了大力支持。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）在氢经济计划中发挥着关键作用，但开发具有优异的活性和良好耐久性的阴极氧还原反应（ORR）催化剂仍然是一个巨大的挑战。Pt-M (M=过渡金属元素)合金表现出比Pt/C更好的ORR活性，但是大多数Pt-M合金催化剂在PEMFC苛刻的操作条件下会由于金属的浸出而遭受显著的结构退化，导致稳定性不足。根据早前对金属合金腐蚀的相关研究，在合金中引入一些变价元素如V、Cr和Nb等可以有效地提高金属合金的耐腐蚀性。这些变价金属具有弱的电子亲和力和强的电离倾向，可以作为接受或给予电子的缓冲剂，从而促进金属合金中的电子传输，这有助于使金属合金中电子密度均匀分布，减少局域电荷的不平衡和极化。受到这一现象的启发，华中科技大学李箐课题组通过引入电子缓冲剂(可变价金属元素，即M= Ti，V，Cr和Nb)，有效提升了铂基金属间ORR催化剂的结构稳定性。

图1. L1₀-M-PtFe催化剂的合成路线及电子缓冲剂缓解表面极化改进机制图解

这项工作中发现，在原位同步辐射测试中随着电势的增加，电子缓冲元素尤其是Cr有助于铂基金属间合金形成电子富集的Pt壳层，从而降低表面极化以及Pt层的拉伸应力，这是实现催化剂稳定性提升的关键因素。

图2.不同电位下催化剂表面发生的逐步电化学过程的简化模型

燃料电池测试中发现，L1₀-Cr-PtFe/C在所有催化剂中表现出了最佳的ORR性能，当Pt的担载量为0.075/0.125 mg_Ptcm^-2，0.9 V的质量活性高达1.41/1.02 A mg_Pt^-1，额定功率密度 14.0/9.2 W mg_Pt^–1，为目前报道的最佳铂基合金氧还原催化剂之一。

图3.L1₀-Cr-PtFe/C催化剂的燃料电池测试性能图

团队研究成果揭示了电化学环境中的铂基合金催化剂界面动态响应过程，相关研究结论有望扩展到其他电化学能量转换技术领域。该研究得到了国家重点研发计划（2021YFA1501001）、国家自然科学基金（22122202, 21972051）、中央高校基本科研业务费专项资金（No. YCJJ20230101）的支持。