綠氫新突破：鉑催化劑實現(xiàn)分鐘級制備，活性提升16倍

環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

首圖來源：CCE Magazine

撰文| Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的2062篇原創(chuàng)

氫燃料電池汽車一直被視為交通“零排放”轉(zhuǎn)型的重要方向。而它的“心臟”，就是能將氫氣和空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為電能、只排放水的燃料電池。

然而，這顆“心臟”的“起搏器”卻貴比黃金。氫燃料電池依賴的核心材料——鉑族金屬催化劑，一直是制約氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。

近日，天津大學(xué)胡文彬教授團(tuán)隊與合作者在《科學(xué)》雜志上共同發(fā)表的一項突破性成果，為這個“卡脖子”難題提供了一套全新的解題思路。

研究團(tuán)隊不僅將需要花費數(shù)小時才能完成的傳統(tǒng)制備流程縮短至數(shù)分鐘，還將單位質(zhì)量催化劑合成所需能耗降低了90%。

而且，該研究團(tuán)隊開發(fā)出的新型催化劑性能大幅提升，質(zhì)量活性達(dá)到商業(yè)鉑碳催化劑的16倍，預(yù)估壽命更是超過5.6萬小時，遠(yuǎn)超美國能源部提出的5000小時目標(biāo)。

圖說：天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授胡文彬（右）與學(xué)生在天津大學(xué)實驗室做實驗

來源：新華社

要理解這項突破的意義，首先要明白鉑族催化劑在氫燃料電池中的角色。

在燃料電池內(nèi)部，氫氣在陽極失去電子，氧氣則在陰極得到電子，從而產(chǎn)生電流。這個得到電子的過程，被稱為氧還原反應(yīng)（ORR），直接和電池效率掛鉤。

為了讓這個反應(yīng)又快又好地發(fā)生，就需要催化劑的幫助。

目前，性能最好的催化劑就是鉑（Pt）。但鉑是稀有貴金屬，資源匱乏，我國每年85%以上的鉑族金屬需求依賴進(jìn)口，這一瓶頸導(dǎo)致該類戰(zhàn)略金屬價格成本居高不下。

來源：MarketBeat

于是，科學(xué)界的共同目標(biāo)是：如何用最少的鉑，激發(fā)最大的催化活性？

一種主流思路是構(gòu)建“核殼結(jié)構(gòu)”——用廉價的過渡金屬（如鐵、鈷）做內(nèi)核，外面僅包裹幾個原子層厚的鉑作為“外殼”。

這樣一來，絕大多數(shù)昂貴的鉑都“好鋼用在刀刃上”，充當(dāng)催化反應(yīng)的“門面”。

然而，這種方法也存在一定缺陷——這種核殼結(jié)構(gòu)催化劑的合成需要賴長時間的高溫退火，讓原子在熱力學(xué)驅(qū)動下慢慢“爬”到正確的位置，過程繁瑣、能耗極高。

更關(guān)鍵的是，這種方式的精度控制很差，鉑殼的厚度往往厚薄不均。這就導(dǎo)致太厚容易浪費鉑，太薄了則內(nèi)核元素會滲透出來“毒化”表皮，降低活性。

這道長期存在的技術(shù)難關(guān)，正是制約催化劑效能與應(yīng)用的“卡口”。

來源：新華社

天津大學(xué)胡文彬教授團(tuán)隊與合作者提出的“瞬態(tài)組裝”（Transient Assembly, TA）策略，從根本上改變了這一合成范式。

該策略的核心是一套自主研發(fā)的毫秒級周期熱脈沖技術(shù)——以高達(dá)每秒數(shù)千攝氏度的升溫速率施加短暫的熱脈沖，在數(shù)秒內(nèi)完成催化劑的合成，而非傳統(tǒng)方法所需的數(shù)小時。

以鉑-鐵（Pt-Fe）體系為例，研究團(tuán)隊將Pt與Fe原子比為1:1.5的前驅(qū)體置于碳基底上，施加以1400°C/s升溫速率、峰值溫度900°C、每次持續(xù)約0.15秒的周期性熱脈沖，累計20次。整個過程中，納米晶在峰值溫度下的累計停留時間僅約3秒。

這一過程的關(guān)鍵物理機(jī)制在于“過熱效應(yīng)”（superheating effect）。在高能狀態(tài)下，原子擴(kuò)散的能壘被有效降低，原子重新排列的驅(qū)動力顯著增強(qiáng)。

通過控制第一道熱脈沖的加熱速率，研究人員可以可以精確控制鐵的損失量，從而連續(xù)、精準(zhǔn)地調(diào)控最終鉑皮的厚度，甚至能精確到1到6個原子層。

圖說：新型催化劑的微觀結(jié)構(gòu)

來源：DOI：10.1126/science.aeg2036

經(jīng)過優(yōu)化，他們發(fā)現(xiàn)三層原子厚的鉑皮（Pt?L@PtFe-i）綜合性能最佳。這種新型催化劑在多個關(guān)鍵性能指標(biāo)上，都實現(xiàn)了重要突破。

首先是催化效率產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。新型催化劑氧還原反應(yīng)的質(zhì)量活性是普通商業(yè)鉑碳催化劑的16倍，活性飆升。

同時，這種新型催化劑還極其耐用。在半電池測試中，經(jīng)過10萬次加速耐久性循環(huán)后，其性能衰減幾乎可以忽略不計。

在實際的燃料電池中，經(jīng)過3萬次循環(huán)，峰值功率損失僅為3.2%。研究團(tuán)隊基于電壓衰減速率估算的催化劑壽命約為56,000小時，超過美國能源部5,000小時目標(biāo)的十倍以上。

圖說：(H) 3萬次循環(huán)后新型催化劑與商業(yè)鉑碳催化劑峰值功率對比；(I) 新型催化劑綜合性能對比美國能源部（DOE）目標(biāo)

來源：DOI：10.1126/science.aeg2036

“瞬態(tài)組裝”策略的成功，其意義遠(yuǎn)不止于“更快”和“更省”。

首先，它打通了“降本增效”的關(guān)卡。它將傳統(tǒng)數(shù)小時的制備流程縮短至數(shù)分鐘，單位質(zhì)量催化劑的能耗降低了90%。這直接讓高性能鉑族催化劑的規(guī)?；?、低成本生產(chǎn)成為可能。

其次，它驗證了一種全新的材料合成范式，為未來合成其他傳統(tǒng)熱力學(xué)方法難以獲得的復(fù)雜結(jié)構(gòu)納米材料，開辟了全新的想象空間。

在適用范圍上，該方法已成功拓展至包含11種過渡金屬、5種貴金屬等多種多元體系。

正如該論文的通訊作者胡文彬教授所言，這項技術(shù)不僅為我國綠色氫能等戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，其應(yīng)用前景更將拓展至高端化工、環(huán)境催化、精細(xì)化學(xué)品合成等依賴高性能催化劑的重要領(lǐng)域。

Reference：

[1]https://www.news.cn/tech/20260710/78c36a9536214bd7b0a0f33c96bbe126/c.html

[2]https://www.chem.pku.edu.cn/kyjz/8dd410b98cea49baa64d3885fbf30d2e.htm

[3]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg2036

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