串联电催化剂解耦快速氢氧化反应实现高效质子交换膜燃料电池

本研究针对质子交换膜燃料电池(PEMFCs)阳极铂(Pt)催化剂成本高的问题，提出串联电催化新策略，设计出Pt单原子修饰Ru纳米团簇的Pt1-Ru/C催化剂，通过解耦H2解离（Ru位点）与H*脱附（Pt位点）步骤，实现23.12 A mgPGM-1的质量活性，在PGM载量仅5μg cm-2时获得1.91 W cm-2的峰值功率密度，为低成本燃料电池开发提供新思路。

　　

氢能作为清洁能源载体，其高效利用的核心技术——质子交换膜燃料电池(PEMFCs)却长期受制于昂贵的铂族金属(PGM)催化剂。尽管阴极氧还原反应(ORR)的铂用量已从2 mg cm^-2降至0.1 mg cm^-2，但阳极氢氧化反应(HOR)的铂优化却鲜有关注。传统催化剂在单一活性位点上进行H₂解离和H^*脱附，存在"强吸附不利脱附"的Sabatier矛盾。浙江大学材料科学与工程学院的研究团队创新性提出串联电催化概念，通过解耦反应步骤显著提升动力学，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用湿法浸渍合成Pt单原子修饰Ru纳米团簇的Pt₁-Ru/C催化剂，通过HAADF-STEM、EXAFS等技术确认Pt以单原子形式锚定在Ru团簇上。电化学测试结合原位ATR-FTIR证实氢溢流效应，DFT计算揭示反应能垒降低机制。燃料电池测试采用超声喷涂法制备膜电极，在250 kPa压力下评估性能。

Structural characterization of Pt₁-Ru/C
通过HRTEM观察到1.5 nm的Ru纳米团簇，HAADF-STEM证实Pt以单原子形式存在。EXAFS拟合显示活化后形成Pt-Ru键（2.65 ?），CCWT分析验证金属间配位结构。XPS显示Ru向Pt的电子转移，活化后Pt价态降低并形成Pt-O配位。

HOR and PEMFCs performance
在0.5 M H₂SO₄中，Pt₁-Ru/C的交换电流密度达23.12 A mg_PGM^-1，比Pt/C高10倍。Koutecky-Levich斜率4.81 cm²mA^-1 s^-1/2证实双电子转移过程。燃料电池测试显示，在5 μg_PGM cm^-2超低载量下实现1.91 W cm^-2峰值功率密度，且具有优异CO耐受性（1000 ppm CO中活性保持90%）。

Electrochemical experimental evidence
DMSO毒化实验表明Pt位点不可或缺（活性下降60%），而0.4 V钝化实验证明Ru金属态是活性必需。Tafel斜率从Ru/C的120 mV dec^-1降至Pt₁-Ru/C的22 mV dec^-1，EIS显示氢吸附电阻R₂降低3倍，证实氢溢流加速动力学。

Hydrogen spillover verification
H/D同位素效应显示Pt₁-Ru/C的KIE值达3.6（>1.5），H₂-TPD中氢脱附峰温降低50℃。原位ATR-FTIR观察到2100 cm^-1(Pt-H_atop)和1900 cm^-1(Ru-H_atop)峰同步减弱，直接证实氢从Ru向Pt迁移。

Theoretical calculations
DFT计算表明传统Ru位点H^*脱附自由能达0.44 eV，而串联路径中氢溢流（0.16 eV）结合Pt位点脱附（0.23 eV）使总能垒降低45%。优化模型显示Pt-Ru键长2.75 ?时电子转移最显著。

该研究开创性地将串联催化概念引入电催化领域，通过"解耦-协同"策略突破Sabatier限制。相比传统Pt/C催化剂，Pt₁-Ru/C在保持性能的同时使阳极贵金属用量降低95.6%，按当前金属价格计算可节省每千瓦36美元成本。机理上首次证实电催化中的氢溢流现象，为设计非Pt催化剂提供新范式。研究团队进一步验证该策略在Pd、Ir等体系中的普适性，为多元合金催化剂开发指明方向。