新型Pt-RuO2/TiO2纳米棒催化剂：提升氧还原反应活性与稳定性的突破性研究

针对质子交换膜燃料电池（PEMFCs）阴极氧还原反应（ORR）催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员通过共沉淀法和多元醇法制备了Pt-RuO2/TiO2纳米棒（Pt-RuO2/TNR）复合催化剂。该催化剂通过强金属-载体相互作用（SMSI）和RuO2导电修饰，显著提升ORR活性（ΔE1/2正移30 mV）和耐久性（ADT后ECSA仅下降28%），为无碳电催化剂设计提供新思路。

　　

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其高能效和零碳排放特性被视为能源转换技术的未来之星，但阴极氧还原反应（ORR）的缓慢动力学和催化剂稳定性问题长期制约其商业化进程。传统Pt/C催化剂在酸性高电位环境下易发生碳载体腐蚀，导致铂纳米颗粒（Pt NPs）溶解、团聚和脱落，造成电化学活性面积（ECSA）和质量活性（MA）大幅下降。更棘手的是，碳载体氧化还会破坏催化剂层多孔结构，引发电池性能断崖式衰退。尽管过渡金属氧化物如TiO₂因成本低、稳定性好被视为理想替代载体，但其导电性差、锚定位点不足的缺陷始终难以突破。

大连交通大学的Bing Xu团队在《Fuel》发表的研究中，创新性地将RuO₂纳米颗粒与TiO₂纳米棒（TNR）复合，通过共沉淀-多元醇法构建了Pt-RuO₂/TNR催化剂。该研究采用X射线光电子能谱（XPS）证实Pt与RuO₂-TNR间存在强金属-载体相互作用（SMSI），通过透射电镜（TEM）观察到Pt NPs（3.5 nm）在载体上的均匀分布，并利用循环伏安法（CV）和旋转圆盘电极（RDE）系统评估ORR性能。

研究结果

1. 形貌与结构特征：RuO₂ NPs（10 nm）成功负载于直径70 nm、长度500 nm的TNR上，形成多相界面结构。XPS中Pt 4f和Ti 2p峰位移证实SMSI效应，有效抑制Pt NPs迁移。
2. ORR活性提升：Pt-RuO₂/TNR半波电位（E_1/2）较Pt/C正移30 mV，起始电位达1.033 V（vs. RHE），极限电流密度显著提高。
3. 稳定性突破：在2万次加速降解测试（ADT）后，Pt-RuO₂/TNR的ECSA仅损失28%（Pt/C为53.8%），MA下降23%（Pt/C为52%）；50小时腐蚀测试后ECSA衰减率低至5.8%（Pt/C为41.5%）。

结论与意义
该研究通过一维TNR载体与RuO₂导电网络的协同设计，首次实现ORR催化剂在活性与稳定性上的双重突破。RuO₂不仅提升载体导电性，其与Pt的电子耦合效应更优化了氧中间体的吸附能。TNR的一维结构加速电子传输，而SMSI效应有效固定Pt NPs。这种无碳催化剂策略为PEMFCs商业化扫除关键障碍，其设计理念可延伸至其他贵金属催化剂体系。