气相分散策略构建压缩应变增强型PtCo金属间化合物催化剂实现高性能质子交换膜燃料电池

针对Pt基合金催化剂在质子交换膜燃料电池(PEMFCs)阴极氧还原反应(ORR)中过渡金属溶出导致的稳定性难题，研究人员通过气相分散策略合成具有超小尺寸(3.0 nm)和均匀压缩晶格应变的有序PtCo金属间化合物(PtCo/C-IMC)。该催化剂展现出卓越的ORR活性(0.92 A mgPt?1@0.9 V)和耐久性(100,000次循环后活性保持率93.2%)，在H2-空气PEMFCs中峰值功率密度达1.53 W cm?2，超越DOE 2025目标，为高性能燃料电池催化剂设计提供新范式。

　　

在碳中和背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其高效零排放特性成为能源转换领域的研究热点。然而阴极氧还原反应(ORR)催化剂面临"不可能三角"困境——高活性、长寿命与低成本难以兼得。传统Pt基合金催化剂虽活性优异，但过渡金属(如Co、Fe等)在酸性环境中易溶出，不仅导致催化剂失活，还会通过芬顿反应破坏质子交换膜。更棘手的是，高温合成金属间化合物(IMCs)虽能增强稳定性，却往往引发颗粒团聚，使活性位点锐减。如何突破这一"活性-稳定性权衡"魔咒，成为制约PEMFCs商业化应用的关键瓶颈。

厦门大学的研究团队独辟蹊径，开发出气相分散工程策略，通过乙酰丙酮前驱体挥发特性构建具有增强压缩应变的PtCo金属间化合物催化剂(PtCo/C-IMC)。这项发表于《Journal of Catalysis》的研究显示，该催化剂不仅实现3.0 nm超细粒径控制，更通过2.2%压缩应变优化电子结构，使质量活性达0.92 A mg_Pt^?1，30,000次加速老化后电压损失仅17-21 mV，性能指标全面超越美国能源部2025年目标。

研究采用三大关键技术：1)无溶剂机械研磨结合两步退火法(300°C预分散+700°C有序化)；2)高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)与几何相位分析(GPA)表征晶格应变；3)同步辐射X射线吸收精细结构(EXAFS)解析原子配位环境。通过密度泛函理论(DFT)计算，首次揭示压缩应变通过提升Co空位形成能(从1.58 eV增至2.03 eV)抑制金属溶出的微观机制。

【催化剂合成方法】

气相分散策略突破传统浸渍法局限：通过乙酰丙酮前驱体(Pt(acac)₂/Co(acac)₂)在300°C升华实现原子级混合，700°C退火形成L1₀有序结构。X射线衍射(XRD)显示(111)晶面位移0.35°，对应2.2%压缩应变，较传统方法提升1倍。

【结论】

该研究建立"应变-稳定性"定量关系：每增加1%压缩应变，Co溶出能垒提高28.5%。在H₂-空气燃料电池测试中，PtCo/C-IMC峰值功率密度达1.53 W cm^?2，且在高电流密度(1.5 A cm^?2)下运行300小时后性能衰减<5%。

这项工作的科学价值在于：1)创立气相分散合成新范式，避免有机溶剂使用；2)阐明压缩应变通过d带中心下移(-0.15 eV)优化氧中间体吸附；3)提出"应变工程增强原子间键合"的普适性设计原则。研究不仅为PEMFCs催化剂设计提供新思路，其应变调控策略对锂空电池、电解水等领域也具有重要借鉴意义。