中科大梁海伟/童磊&清华大学张亮，最新Nature子刊！碳介孔深度工程提升低铂燃料电池性能！马昌淞/陈锴一作

离聚物吸附诱导的Pt中毒和高局部氧气传质阻力是阻碍质子交换膜燃料电池实现低Pt负载的两项关键挑战，然而能够同时缓解这两个问题的策略仍然有限，使得在动力学控制的低电流密度区和传质控制的高电流密度区均获得优异的性能颇具挑战性。

2026年06月04日，中国科学技术大学梁海伟/童磊、清华大学张亮团队合作在Nature Communications期刊发表题为“Carbon mesopore depth engineering boosts the performance of low-platinum fuel cells”的研究论文，中科大马昌淞、清华大学陈锴为论文共同第一作者，梁海伟、张亮、童磊为论文共同通讯作者。

第一作者：马昌淞、陈锴

通讯作者：梁海伟、张亮、童磊

通讯单位：中国科学技术大学、清华大学

论文DOI：10.1038/s41467-026-73971-8

该研究表明，这一局限可通过一种介孔碳载体设计来解决，其关键在于构建小介孔主导的结构，同时将孔深度合理控制在中等水平。该设计为介孔内部的Pt纳米颗粒创造了理想的局部反应环境，既能保护大部分Pt免受离聚物中毒，又能实现高效氧气扩散。利用所开发的碳载体，合成了一种金属间PtCo纳米催化剂，其在低Pt阴极负载（0.1 mgPt cm⁻²）下展现出具有竞争力的膜电极组件性能，在散热受限条件下，H₂-空气额定功率密度在0.67 V下达1.23 W cm⁻²，H₂-O₂质量活性为1.1 A mgPt⁻¹。

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）是零排放的能量转换装置，在公路运输脱碳和电气化方面具有重大潜力。然而，其广泛应用面临经济挑战。一个主要因素是阴极需要高铂（Pt）负载来驱动缓慢的氧还原反应（ORR）。据估计，要实现燃料电池汽车的成本竞争力，需将阴极Pt负载降至0.1 mgPt cm⁻²以下。虽然降低Pt负载会加剧动力学相关的电压损失这一现象众所周知，但近年来发表的一系列报道表明，降低Pt负载还会造成与传质相关的电压损失。其原因是低负载减少了Pt表面积，迫使每个活性位点处理更高的反应物通量，最终导致局部传质阻力增加，尤其是对氧气的传质阻力。因此，在追求减少Pt用量的过程中，催化剂开发不仅面临动力学活性挑战，还面临局部氧气传输的挑战。

通常，ORR催化剂被制备成碳载Pt纳米颗粒以提高Pt原子利用率。在膜电极组件（MEAs）中，阴极由离聚物和催化剂组成。离聚物在催化剂表面形成纳米薄膜，作为质子导体将质子传输至活性位点。尽管历史上Pt活性结构被认为是催化剂动力学活性的决定因素，但近期研究表明Pt/离聚物界面具有显著影响。在该界面处，离聚物中的磺酸根官能团强烈吸附在Pt上，导致催化剂中毒。此外，分子动力学MD模拟表明，由于强离聚物-Pt相互作用引起的离聚物致密化，Pt/离聚物界面极大地提升了局部氧气传质阻力。这一理论预测得到了以下实验发现的支持：与本体离聚物相比，在催化剂层中，离聚物纳米薄膜的氧气渗透率观察到的下降幅度高达一个数量级，而在没有Pt/离聚物界面的情况下，本体离聚物和纳米薄膜离聚物观察到的氧气渗透率相似。上述发现似乎表明减少Pt/离聚物界面既有利于动力学活性也有利于局部传输；然而，实际情况更为复杂。一个众所周知的例子是，与使用多孔碳的催化剂相比，使用实心碳制备的催化剂通常表现出更好的高电流密度性能，尽管多孔碳负载的催化剂具有显著更小的Pt/离聚物界面面积。与实心碳不同，多孔碳载体（例如科琴黑）通常具有内部的介孔和微孔开口，这有利于防止离聚物渗入碳内部，从而减少离聚物与碳内部Pt纳米颗粒的接触。对于多孔碳负载催化剂高电流密度性能较差，一个被广泛接受的解释是，多孔碳的内部孔隙限制了反应物到达Pt纳米颗粒的可及性。

尽管如此，选择多孔碳载体对于活性提升具有明显优势。这不仅是因其可减轻离聚物对Pt的中毒，与实心碳载体相比活性提高2~4倍。此外，多孔碳更适用于制备高活性Pt合金催化剂，因为其高比表面积有助于在高温合成过程中最大限度地减少颗粒烧结。这种高比表面积还赋予多孔碳负载催化剂在PEMFC运行下更强的抗电化学颗粒粗化能力。因此，只要局部传输问题能够得到解决，多孔碳仍然是一种极具前景的选择。在这方面，通用汽车的Anusorn Kongkanand等人报道了一种新型多孔碳载体（HSC-f），该载体成功在不牺牲活性的情况下降低了局部传质阻力。HSC-f具有与传统的多孔碳载体（如科琴黑）相似的微孔开口（1-2 nm），这有效防止了离聚物渗入碳内部，从而确保了高动力学活性；然而，HSC-f的不同之处在于具有更小的原生碳颗粒（~21 nm）和更大的内部介孔（7-14 nm），这种组合被认为能够缩短并扩大传输通道，从而实现良好的反应物传输。然而，HSC-f的制备方法至今未公开，文献中也尚未报道能够实现这种精细控制孔结构的工程策略。

在此，该研究报道了一种碳介孔深度工程（CMDE）策略，用于设计能够同时优化阴极催化剂动力学活性和局部氧气传输的有效碳载体，从而能够在低Pt负载下制造高性能燃料电池。该策略不涉及复杂的孔形貌工程，而是强调两个简单的设计要素：构建小介孔主导的碳质结构和将孔深度控制在中等水平。这种孔构型的原理在于，离聚物在小介孔中的热力学穿透深度有限；因此，适度的孔深度控制可以减少对活性有害的Pt/离聚物界面的形成，同时将扩散长度维持在合理水平，以确保快速局部氧气传输。利用这种碳载体工程，研究人员合成了一种金属间PtCo纳米催化剂，该催化剂在0.1 mgPt cm⁻²的低Pt阴极负载下展现出卓越的MEA性能，包括在散热受限条件下1.23 W cm⁻²的额定功率密度和1.1 A mgPt⁻¹的质量活性。

图1：CMDE策略的设计原理。a，离聚物穿透的分子模型。灰色、红色、白色、黄色和绿色小球分别代表碳、氧、氢、硫和氟原子。b，离聚物穿透不同直径碳介孔的自由能图谱。c，在3 nm介孔中，不同离聚物穿透深度下离聚物与碳原子之间径向分布函数的平均值（红线）以及水分子之间氢键数量（蓝线）。插图为介孔内部无离聚物穿透（右）和有离聚物穿透（左）时氢键网络的快照。绿色、白色、黄色、粉色和红色小球分别代表碳、氢、硫、氟和氧原子。氢键以黑色虚线表示。d，CMDE策略的示意图。

图2：催化剂合成与表征。a，HMCS载体合成路线示意图。b-d，Pt/HMCS-18、Pt/HMCS-86和Pt/HMCS-125的HAADF-STEM图像。e，Pt/HMCS-18、Pt/HMCS-86和Pt/HMCS-125的壳层厚度分布。f-h，超薄切片Pt/HMCS-18、Pt/HMCS-86和Pt/HMCS-125的截面HAADF-STEM图像。i，Pt/HMCS-18、Pt/HMCS-86和Pt/HMCS-125的Pt颗粒尺寸分布。

图3：Pt/HMCS、Pt/V和Pt/KJ300催化剂的PEMFC性能和MEA诊断分析。a，Pt/HMCS-18、Pt/HMCS-86和Pt/HMCS-125在80°C、90%相对湿度和150 kPaabs条件下测得的H₂-空气极化曲线。b，0.9 V下质量活性的比较，c，磺酸根覆盖度的比较。d，Pt/HMCS-86、Pt/V和Pt/KJ300在80°C、90%相对湿度和150 kPaabs条件下测得的H₂-空气极化曲线。e，在0.4 A cm⁻²、1.0 A cm⁻²和2.0 A cm⁻²下电池电压的比较。误差条代表两个独立测量的MEA的标准差。

图4：阴极催化剂层中的氧气传输分析。a，RPIO₂与极限电流密度的关系。b，不同水填充率下介孔中的氧气扩散系数。插图为介孔中氧气扩散的快照，其中灰色、红色和白色小球分别代表碳、氧和氢原子。误差条代表四次独立MD模拟的标准差。

图5：HMCS-86负载PtCo催化剂的PEMFC性能。a，PtCo/HMCS-86和TKK-Pt/C在30k AST前后的H₂-空气燃料电池极化曲线，在80°C、90%相对湿度和150 kPaabs条件下测得。b，30k AST前后的质量活性变化。c，30k AST前后在0.8 A cm⁻²下的电池电压变化。d，PtCo/HMCS-86和Pt/HMCS-86在94°C、65%相对湿度和250 kPaabs条件下测得的H₂-空气极化曲线。

总之，该研究建立了一种简单但有效的碳载体设计，以提升阴极催化剂的整体MEA性能，该设计的关键在于构建小介孔主导的结构并控制适中的孔深度。通过MEA诊断分析和分子动力学MD模拟，研究发现这种孔几何构型的有效性源于其能够创造有利的局部反应环境，既能有效保护大多数Pt活性位点免受离聚物吸附，又能确保ORR产生的水及时排出，从而使氧气传输通过高效的气相扩散机制进行。该研究相信这些发现为通过碳载体工程设计下一代高性能阴极催化剂提供了颇具意义的见解和宝贵指导。