碳载体表面氧官能团调控L12 -Pt3 Co金属间化合物在燃料电池中的抗烧结机制与性能优化

本研究针对质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中Pt基金属间化合物高温烧结难题，通过调控碳载体表面氧官能团含量（2.5%-6.6%），发现低氧含量碳载体（EC-H2 /Ar）可抑制L12 -Pt3 Co颗粒生长至6.02 nm，并提升ORR活性（0.78 W/cm2 ）与耐久性（5000次循环衰减仅12.2%）。DFT揭示其通过d带中心调控减弱氧中间体吸附，为燃料电池催化剂设计提供新策略。

　　

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为清洁能源技术，其商业化进程长期受限于阴极氧还原反应（ORR）的缓慢动力学。尽管铂（Pt）基催化剂因其适中的氧中间体吸附能成为首选，但传统无序合金易烧结、稳定性差。有序L1₂
-Pt₃
Co金属间化合物虽能通过晶格压缩应变调控d带中心提升ORR活性，但高温合成导致的颗粒团聚（>10 nm）仍是瓶颈。更棘手的是，碳载体表面氧官能团既可能锚定金属前驱体，又可能引发碳氧化反应（COR），导致载体腐蚀与Pt流失。如何通过精准调控碳-金属相互作用平衡催化活性与稳定性，成为领域内亟待解决的矛盾。

针对这一挑战，中国科学院的研究团队创新性地提出通过碳载体表面氧官能团含量调控L1₂
-Pt₃
Co纳米颗粒生长与稳定性的策略。研究采用H₂
/Ar退火（降氧至2.49%）和HNO₃
氧化（增氧至6.63%）处理Ketjen黑碳（EC-300J），结合浸渍还原法合成Pt₃
Co催化剂，通过旋转圆盘电极（RDE）、单电池测试及密度泛函理论（DFT）计算系统评估性能。

碳载体表面氧含量调控与表征
XPS和元素分析证实，EC-H₂
/Ar的氧含量最低（2.49%），而EC-HNO₃
最高（6.63%）。拉曼光谱显示低氧载体缺陷度降低，接触角测试表明其疏水性增强，这为后续金属-载体相互作用差异奠定基础。

金属间化合物形貌与结构分析
HAADF-STEM和XRD证实，EC-H₂
/Ar负载的Pt₃
Co颗粒最小（6.02±0.10 nm），且有序度最高。EXAFS显示其Pt-Co配位数达7.2，显著高于无序合金（5.1），表明完美L1₂
结构形成。DFT计算揭示，有序晶格使Pt的d带中心下移0.15 eV，削弱氧中间体（*OH/*OOH）吸附能0.2-0.3 eV，从而降低ORR能垒。

电化学性能与耐久性
RDE测试中，Pt₃
Co/EC-H₂
/Ar的质量活性（0.56 A/mg_Pt
）是商业Pt/C的3.1倍，且5000次加速衰减测试（ADT）后半波电位仅衰减14 mV。单电池测试峰值功率密度达0.78 W/cm²
（1.60 A/cm²
），5000次AST循环后性能损失仅12.2%，远优于高氧载体（>30%）。

金属-载体相互作用机制
原位XPS发现低氧载体中Pt 4f结合能正移0.3 eV，表明电子从Pt转移至碳，增强界面键合。CO溶出实验进一步证实，EC-H₂
/Ar的Pt氧化起始电位最高（0.85 V vs. RHE），说明其抗溶解能力最优。

结论与展望
该研究揭示了碳表面氧官能团含量（~2.5%为最优）通过双重机制影响催化剂性能：一方面适度氧位点稳定金属纳米颗粒，另一方面低氧环境抑制COR并强化Pt-C电子耦合。这种“精准氧调控”策略不仅解决了金属间化合物烧结难题，还为设计高性能燃料电池催化剂提供了普适性方法。未来研究可拓展至其他L1₂
/L1₀
型Pt-M催化剂体系，并探索工业级制备工艺。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为清洁能源器件开发注入新动能。