PtPdRuCuNi高熵合金气凝胶构建多活性位点实现pH普适性甲醇电氧化及直接甲醇燃料电池性能突破

【编辑推荐】针对Pt基催化剂在甲醇氧化反应(MOR)中活性低、易被CO中毒的难题，研究人员通过设计具有中空网络结构的PtPdRuCuNi高熵合金气凝胶，实现了酸性(2.05 A mgPt?1)、中性(1.37 A mgPt?1)和碱性(4.50 A mgPt?1)条件下的超高MOR活性，其DMFC功率密度达77.7 mW cm?2，为无碳Pt基催化剂设计提供了新范式。

　　

在能源转型的浪潮中，直接甲醇燃料电池(DMFC)因其高能量密度和环境友好特性备受瞩目。然而，这一技术的商业化始终被两朵"乌云"笼罩：昂贵的铂基催化剂和顽固的CO中毒效应。传统Pt/C催化剂就像一位"娇贵的贵族"，不仅价格高昂，还在反应中容易被甲醇衍生的CO中间体"绑架"活性位点。虽然PtRu/C表现稍好，但其性能仍难满足现代DMFC的需求，且贵金属的稀缺性让成本问题雪上加霜。

面对这一困局，天津大学等机构的研究团队将目光投向了高熵合金这一新兴材料体系。他们创新性地采用一步NaBH₄还原法，成功制备出具有中空网络结构的PtPdRuCuNi五元合金气凝胶。这种材料如同纳米尺度的"珊瑚礁"，由平均直径仅5.16 nm的纳米多孔韧带构成，其独特的结构特征为突破性能瓶颈提供了可能。相关成果发表在《Journal of Colloid and Interface Science》上。

研究团队通过密度泛函理论(DFT)计算揭示了多金属协同的电子结构特征，采用原位傅里叶变换红外光谱(in-situ FTIR)追踪反应路径，结合电化学测试系统评估了催化剂在不同pH条件下的MOR性能，并在实际DMFC单电池中验证了应用效果。

电子结构分析显示，多元合金的d带中心调控显著优化了CO和OH的吸附能，形成理想的"火山曲线"关系。这种电子结构的协同作用，使得催化剂在保持高活性的同时，CO氧化峰电位相比传统Pt/C出现172 mV的负移(0.352 V vs SCE)。

催化性能测试结果令人振奋：在酸性、中性和碱性条件下，质量活性分别达到2.05、1.37和4.50 A mg_Pt^?1，是商业PtRu/C的2.8-3.7倍。更引人注目的是，in-situ FTIR发现了独特的甲酸路径——在高电位下，甲醇氧化通过甲酸中间体直接转化为最终产物，巧妙绕过了传统的CO中毒路径，这就像为反应开辟了一条"绿色通道"。

DMFC单电池测试中，在65°C工作温度下，催化剂展现出77.7 mW cm^?2的峰值功率密度。当铂载量降至0.37 mg cm^?2时，质量比功率高达109.7 mW mg_Pt^?1，较商业催化剂提升显著。

这项研究通过"合金协同+纳米结构工程"的双重策略，实现了无碳Pt基催化剂设计的重大突破。其意义不仅在于创纪录的性能指标，更开创性地揭示了甲酸路径的反应机制，为后续催化剂开发提供了全新思路。这种高熵合金气凝胶犹如一座"纳米城堡"，既构筑了丰富的活性位点，又通过多金属协同抵御了CO入侵，为DMFC的商业化应用点燃了新的希望之火。