中科大梁海伟/童磊最新Angew：中等尺寸金属间化合物PtCo催化剂助力低铂重型燃料电池！

摘要

重型车辆正成为质子交换膜燃料电池商业化应用的核心场景，但其严苛的运行条件对燃料电池的寿命和效率提出了更高要求。当前阴极催化剂在低铂用量下难以平衡性能与耐久性，为满足需求往往需提高铂负载量。本文提出一种催化剂设计与合成策略，通过双金属复合物高温热解，制备出高度有序的 L1₀型 PtCo 金属间纳米催化剂（有序度约 80%），其纳米颗粒分散均匀，平均尺寸约 6 nm。该结构可协同优化吉布斯 - 汤姆森能、铂 - 钴键焓与压缩应变，使催化剂兼具优异的结构 / 组分稳定性与高活性。在阴极铂负载量低至 0.1 mg・cm⁻² 时，催化剂经 9 万次加速应力测试后，0.7 V 下电流密度可达 1.21 A・cm⁻²，铂利用率达 6.8 kW・g⁻¹，是美国能源部目标（2.5 kW・g⁻¹）的两倍以上。

研究背景

质子交换膜燃料电池商业化正从轻型车转向重型车，其基础设施需求低、功率可扩展，但需兼顾低成本、长寿命、高效率并严控贵金属铂用量。美国能源部针对重型车提出技术目标：等效加速测试 25000 小时后，0.7 V 下铂利用率达 2.5 kW・g⁻¹。阴极催化剂是核心，碳载铂及铂基合金为主流，但铂基合金因钴浸出易降解，单金属铂仅面临颗粒粗化问题。现有设计多追求 < 5 nm 小颗粒以提升铂原子利用率，但其高吉布斯 - 汤姆森能会加速铂溶解与钴浸出，低铂下耐久性极差；增大颗粒虽提升耐久性，却会降低质量活性。目前合金催化剂仅在高铂负载量（0.20–0.25 mg・cm⁻²）下达标，低铂场景仍存瓶颈。因此，亟需开发中等尺寸、高有序度的 L1₀型 PtCo 催化剂，破解耐久性与活性的尺寸权衡难题。

研究内容

Figure 1 展示催化剂设计策略示意图 

核心为中等尺寸 L1₀型 PtCo 金属间催化剂，通过协同优化吉布斯 - 汤姆森能、Pt-Co 键焓与压缩应变，同时解决颗粒粗化、钴浸出两大降解问题，实现高耐久性与高活性的统一。

Figure 2 揭示双金属复合物制备高有序 PtCo 催化剂的机理

BM-PtCo/C（复合物法）与 TA-PtCo/C（浸渍法）粒径相近（~6 nm），排除尺寸干扰；BM-PtCo/C 有序度达 80%，TA-PtCo/C 仅 32%，且 BM-PtCo/C 的 Pt/Co 原子比集中于 1:1，TA-PtCo/C 分布宽泛；300℃中间体表征显示，复合物法可实现 Pt、Co 原子级均匀混合，浸渍法组分分布不均；结论：双金属复合物的原子级混合特性，是形成高有序、组分均匀 PtCo 催化剂的关键。

Figure 3 轻型车工况（3 万次加速循环）下燃料电池性能

BM-PtCo/C 极化曲线电压损失最小，0.8 A・cm⁻²、1.5 A・cm⁻² 下电压损失仅 7 mV、10 mV，远低于其他催化剂；质量活性（MA）损失仅 4%，电化学活性面积（ECSA）损失仅 10%；结论：高有序 BM-PtCo/C 在轻型车工况下兼具最优初始活性与耐久性。

Figure 4 重型车工况（9 万次加速循环）下燃料电池性能

BM-PtCo/C（0.1 mg・cm⁻² 低铂载量）循环后 0.7 V 功率密度达 0.85 W・cm⁻²，远超商用高铂载量 a-Pt/C（0.25 mg・cm⁻²）；铂利用率达 6.8 kW・g⁻¹，为美国能源部目标的 2.7 倍，MA、ECSA 损失显著低于商用催化剂及文献报道催化剂；结论：BM-PtCo/C 在低铂载量下全面超越商用催化剂，各项指标达标并超 DOE 2025 重型车目标。

Figure 5 加速测试后催化剂结构与组分演变

BM-PtCo/C 循环后粒径增长小、分布窄，中等尺寸（~6 nm）可有效抑制颗粒粗化；BM-PtCo/C 钴含量保留率高，高有序结构可显著提升抗钴浸出能力；钴含量与质量活性呈正相关，高钴含量产生强晶格收缩，补偿大颗粒带来的活性损失；结论：中等均匀粒径 + 高有序结构，协同抑制颗粒粗化与钴浸出，高钴含量保障高活性。

总结展望

综上，本研究成功开发了一种适配重型车辆应用、兼具高耐久性与高活性的 PtCo 纳米催化剂，即使在严苛的低铂负载条件下也能稳定工作。该催化剂的优异耐久性源于其高度有序的 L1₀型金属间结构与均匀分散的中等尺寸纳米颗粒，可有效缓解 PtCo 合金催化剂在燃料电池运行中的两大主要降解路径 —— 钴浸出与颗粒粗化。特别值得一提的是，其优异的抗钴浸出性能，使脱合金后催化剂保留高钴含量，有效抵消了颗粒尺寸增大带来的活性损失，让膜电极组件在实际工况中保持高质量活性。

参考文献

文章标题：Medium-Sized Intermetallic PtCo Catalysts for Low-Pt Heavy-Duty Fuel Cells

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.9440254