抗CO中毒性能提升近3倍！新型催化剂让燃料电池更耐用
2025-04-25 14:31:07 阅览：434
【导语】在清洁能源的探索之旅中，氢燃料电池凭借高效、零排放的特点备受瞩目。然而，传统碳载铂催化剂的腐蚀与一氧化碳中毒问题一直是制约其发展的关键瓶颈。近日，福(fú)州(zhōu)大(dà)学(xué)与(yǔ)上(shàng)海(hǎi)大(dà)学(xué)的(de)联(lián)合(hé)团(tuán)队(duì)在(zài)《Frontiers in Energy》上(shàng)发(fā)表(biǎo)研(yán)究(jiū)，成(chéng)功(gōng)研(yán)发(fā)出(chū)一(yī)种(zhǒng)新(xīn)型(xíng)铂(bó)基(jī)催(cuī)化(huà)剂(jì)（Pt/TiO₂-Ov），其(qí)抗(kàng)CO中(zhōng)毒(dú)性(xìng)能(néng)大(dà)幅(fú)提(tí)升(shēng)，为(wèi)氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)的(de)稳(wěn)定(dìng)运(yùn)行(xíng)与(yǔ)寿(shòu)命(mìng)延(yán)长(zhǎng)带(dài)来(lái)了(le)突(tū)破(pò)性(xìng)进(jìn)展(zhǎn)。这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)不(bù)仅(jǐn)为(wèi)氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)提(tí)供(gōng)了(le)“抗(kàng)毒(dú)解(jiě)药(yào)”，更为设计高效、低成本的非碳载体催化剂开辟了全新路径，预示着清洁能源“铂金时代”的到来。
在追求清洁能源的道路上，氢燃料电池因高效、零排放备受关注。然而，传统碳载铂催化剂在酸性环境下的腐蚀问题，以及易受一氧化碳（CO）中毒的缺陷，始终是技术瓶颈。近日，福州大学与上海大学联合团队在《Frontiers in Energy》发表研究，成功开发出一种新型铂基催化剂（Pt/TiO₂-Ov），其(qí)抗(kàng)CO中(zhōng)毒(dú)性(xìng)能较传统催化(huà)剂(jì)提(tí)升(shēng)近(jìn)3倍(bèi)，为(wèi)氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)的(de)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)与(yǔ)寿(shòu)命(mìng)带(dài)来(lái)突(tū)破(pò)。
传(chuán)统(tǒng)催(cuī)化(huà)剂(jì)为(wèi)何(hé)“脆(cuì)弱(ruò)”？
氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)的(de)核(hé)心反应——氢氧化反应（HOR）和氧还原反应（ORR），依赖铂催化剂加速反应。但传统碳载体在酸性条件下易腐蚀，导致铂颗粒脱落；更棘手的是，燃料中微量CO会像“胶水”一样牢牢吸附在铂表面，抢占活性位点，使催化剂“罢工”。此前，科学家尝试用金属氧化物替代碳载体，但低导电性和稳定性不足限制了应用。
氧空位“助攻”，电子传递提速
研究团队另辟蹊径，选择二氧化钛（TiO₂）为载体，并通过微波辅助合成技术，在TiO₂表面制造大量氧空位（Ov）。这些氧空位如同“电子高速公路”，促进铂与载体间的电子传递（EMSI效应），使铂颗粒更稳定地锚定在载体上。实验显示，Pt/TiO₂-Ov的铂颗粒仅2.75纳米，均匀分散，且氧空位将TiO₂的带隙从3.2 eV降至2.97 eV，显著提升了导电性。
抗CO性能“逆天”，活性更持久
在模拟燃料电池实际工况的测试中，Pt/TiO₂-Ov展现出惊人优势：
抗CO中毒：向氢气中注入1000 ppm CO后，Pt/TiO₂-Ov的电流密度仅衰减3.67%，而传统Pt/C衰减近3倍。XPS分析表明，氧空位促使电子从TiO₂流向铂，削弱了铂与CO的结合力，使其更易被氧化清除。
双效活性：在0.1 mol/L高氯酸中，Pt/TiO₂-Ov的HOR质量活(huó)性(xìng)是(shì)Pt/C的1.24倍；ORR半波电位（0.88 V）也优于Pt/C（0.87 V）。
超长寿命：经过5000次加速老化测试，Pt/TiO₂-Ov的半波电位仅下降7 mV，活性保留率超65%，远高于Pt/C的43.5%。
技术落地：从实验室到生产线
研究团队采用“溶胶-凝胶法+氢退火”工艺，结合微波快速还原技术，成功实现催化剂的规模化制备。该方法避免高温烧结导致的铂颗粒团聚，且工艺耗时短、成本可控，为产业化铺平道路。未来，该催化剂有望应用于车载氢燃料电池，解决CO中毒导致的“续航焦虑”。
挑战与展望
尽管性能卓越，团队指出，二氧化钛载体中残留的微量硅（约5.08%）可能影响长期稳定性，需进一步优化蚀刻工艺。此外，如何平衡氧空位浓度与载体强度，仍是提升导电性与耐久性的关键。
这项研究不仅为氢燃料电池提供了“抗毒解药”，也为设计高稳定、低成本的非碳载体催化剂开辟了新思路。随着技术迭代，清洁能源的“铂金时代”或将来临。