综述：汽车PEM燃料电池催化剂层降解机制与表征技术研究：第二部分 铂降解

这篇综述系统探讨了汽车用聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)中铂(Pt)催化剂降解的最新研究进展，重点分析了Pt溶解、团聚、迁移及中毒四大降解机制，从热力学和动力学角度阐释了降解路径，并评述了先进表征技术和缓解策略，为提升燃料电池耐久性提供了重要参考。

　　

铂降解：汽车燃料电池的致命弱点

在追求碳中和的浪潮中，氢燃料电池汽车(FCEV)被视为交通领域脱碳的关键技术。然而，作为燃料电池"心脏"的铂催化剂，其昂贵的价格和快速的降解速率成为商业化道路上的"拦路虎"。本文将带您深入探索铂催化剂在严苛车载环境下的降解奥秘。

铂溶解：降解的起点

当铂纳米颗粒(Pt NPs)浸泡在酸性聚合物膜(PFSA)环境中时，会开启一场危险的溶解之旅。热力学计算显示，当电位超过0.8V时（常见于启停和怠速工况），铂原子开始挣脱晶格束缚，形成Pt²⁺
或Pt⁴⁺
离子进入溶液。有趣的是，小颗粒铂（<2nm）会直接溶解，而大颗粒则先形成PtO中间体。

更令人惊讶的是，铂的溶解还挑"长相"——不同晶面的溶解速率差异显著：(110)晶面>(100)晶面>(111)晶面。这就像不同材质的糖果在热水中溶解速度不同一样，原子排列方式决定了它们的"耐腐蚀性"。

颗粒长大：活性位点的消失

溶解的铂离子不会乖乖离开，它们会在电场驱动下寻找新的归宿。小颗粒溶解后，离子会在大颗粒表面重新沉积，这种现象被称为电化学奥斯特瓦尔德熟化(OR)。就像雪球越滚越大，铂颗粒平均尺寸从初始的3-5nm逐渐增长到10nm以上，导致电化学活性表面积(ECSA)锐减。

另一种生长方式更"简单粗暴"——粒子迁移团聚(PMC)。高温下，铂颗粒像跳跳糖一样在碳载体表面蹦跳，相邻颗粒碰撞后就会融为一体。实验发现，在80°C时，2nm的铂颗粒每小时可移动超过50nm！

铂迁移：神秘的"铂带"现象

约30%的溶解铂会开启一场奇特的"迁徙"。它们穿过离子omer相，在膜内某个神秘位置沉积，形成肉眼可见的"铂带"。这个现象就像地质层中的矿脉，其位置取决于氢气和氧气的"拔河比赛"：当氢气占优势时，铂带偏向阴极；当氧气浓度高时，则向阳极移动。

更令人头疼的是，这些沉积的铂会催化膜分解，产生致命的"针孔"。这就像在气球上扎针，严重威胁燃料电池的寿命。

中毒：来自空气的"隐形杀手"

汽车燃料电池直接呼吸环境空气，这使得铂催化剂暴露在各种污染物中。一氧化碳(CO)是头号毒物，即使0.1ppm也能让性能下降10%。它像章鱼一样牢牢抓住铂原子，阻断氢气的反应位点。而来自工业废气的SO₂
更可怕，会与铂形成强韧的Pt-S键，需要1.2V以上高电位才能清除。

有趣的是，这些毒物的危害程度与温度密切相关。CO在高温下更容易被氧化清除，而H₂
S却相反——温度越高毒性越强。这种截然不同的行为就像冰与火的对立，给系统设计带来巨大挑战。

对抗降解的"武器库"

科学家们已发展出多管齐下的应对策略：

• 材料创新：核壳结构催化剂像"镀金"的巧克力，既节省铂用量又提升稳定性。氮掺杂碳载体则像带刺的托盘，能牢牢固定铂颗粒。
• 操作优化：避免高电位（>0.9V）和快速变载，就像呵护精密仪器般对待燃料电池。
• 空气过滤：为燃料电池戴上"防毒面具"，拦截空气中的污染物。

未来之路

尽管挑战重重，但通过深入理解原子尺度的降解机制、开发新型非贵金属催化剂，以及智能控制策略的协同创新，燃料电池汽车迈向商业化的道路正变得越来越清晰。这场与铂降解的较量，不仅是材料科学的挑战，更是人类向清洁能源未来迈进的关键战役。