【科學(xué)背景】
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）因其高能量密度和可擴(kuò)展性，壽命時(shí)黃授最在重型車輛（HDV）應(yīng)用中展現(xiàn)出替代鋰離子電池的超過(guò)y材潛力。然而，昱教HDV的料牛獨(dú)特運(yùn)行條件（如長(zhǎng)距離行駛、高負(fù)載工況）對(duì)燃料電池的壽命時(shí)黃授最耐久性和效率提出了遠(yuǎn)超輕型車輛（LDV）的嚴(yán)苛要求。美國(guó)能源部（DOE）為此設(shè)定了HDV燃料電池的超過(guò)y材終極目標(biāo)：壽命需從LDV的8000小時(shí)提升至30000小時(shí)，效率從70%提升至72%。昱教然而，料牛當(dāng)前技術(shù)（如商用Pt/C催化劑）在長(zhǎng)期運(yùn)行中面臨鉑（Pt）顆粒聚集、壽命時(shí)黃授最溶解及離聚物中毒等問(wèn)題，超過(guò)y材導(dǎo)致性能顯著衰減。昱教例如，料牛商用催化劑在90000次方波加速應(yīng)力測(cè)試（AST）后功率損失高達(dá)17.5%-39.6%，壽命時(shí)黃授最遠(yuǎn)未達(dá)到DOE目標(biāo)。超過(guò)y材此外，昱教傳統(tǒng)碳包覆策略雖能提升穩(wěn)定性，卻以犧牲初始活性為代價(jià)；而合金催化劑（如PtCo）則存在非貴金屬浸出引發(fā)的陽(yáng)離子毒化問(wèn)題。因此，開發(fā)兼具高活性、超長(zhǎng)耐久性且適應(yīng)HDV工況的新型Pt基催化劑，成為推動(dòng)燃料電池商業(yè)化應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。
【創(chuàng)新成果】
針對(duì)以上問(wèn)題，加州大學(xué)洛杉磯分校黃昱教授課題組報(bào)道了一種基于Ketjenblack碳載體的石墨烯納米袋保護(hù)、孔限域且電化學(xué)可及的Pt納米催化劑（Pt@Gnp/KB）的設(shè)計(jì)。由該納米催化劑制備的膜電極組件（MEA）表現(xiàn)出0.74 A mgPt?1?的初始質(zhì)量活性、1.08 W cm?2的高額定功率密度，以及經(jīng)過(guò)9萬(wàn)次劇烈方波循環(huán)后僅1.1%的極低功率損失。該催化劑卓越的活性和耐久性使得燃料電池壽命超過(guò)20萬(wàn)小時(shí)，峰值效率達(dá)71.9%，遠(yuǎn)超美國(guó)能源部（DOE）設(shè)定的2050年重型車輛終極目標(biāo)。該催化劑通過(guò)抑制Pt顆粒聚集、溶解，顯著提升了燃料電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為重型車輛應(yīng)用提供了極具吸引力的解決方案。相關(guān)研究成果以“Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000?h for heavy-duty fuel cell applications”為題，發(fā)表在最新一期的Nature Nanotechnology上。
【圖文解析】
圖1 所研制催化劑的總體性能和結(jié)構(gòu)表征? 2025 Springer Nature?
圖2 comm-Pt/VC、comm-Pt/KB及Pt@Gnp/KB催化劑的燃料電池性能評(píng)價(jià)? 2025 Springer Nature?
圖3 燃料電池效率和壽命預(yù)測(cè)? 2025 Springer Nature?
圖4 EOL催化劑的表征、粒度分布分析及相應(yīng)的MEA測(cè)試結(jié)果? 2025 Springer Nature?
【科學(xué)啟迪】
該項(xiàng)研究開發(fā)了一種高度孔隙限制且表面受保護(hù)的Pt納米催化劑，該催化劑在重型車輛燃料電池應(yīng)用中表現(xiàn)出前所未有的耐久性。該催化劑提供了高達(dá)1.08 W cm?2的初始功率密度，在9萬(wàn)次方波周期的加速應(yīng)力測(cè)試（AST）后仍保持98.9%的功率密度保留率。基于僅0.054 μV/循環(huán)的平均電壓衰減率，該燃料電池壽命預(yù)計(jì)超過(guò)20萬(wàn)小時(shí)，是DOE 2050年HDVs目標(biāo)的7倍以上。優(yōu)異的催化劑耐久性可歸因于高度的孔隙限制和可觸及的石墨烯層的保護(hù)作用。除了大大減少Pt的溶解和顆粒尺寸的增長(zhǎng)外，保護(hù)石墨烯層還減輕了離子單體的毒化作用。盡管初始電化學(xué)活性表面積（ECSA）損失超過(guò)40%，催化劑仍保持0.74 A mgPt-1的質(zhì)量活性和87.8%的MA活性保留率，最終實(shí)現(xiàn)了71.9%的峰值效率。這一突破性進(jìn)展顯著提升了質(zhì)子交換膜燃料電池在重型車輛應(yīng)用中的商業(yè)化潛力，在解決燃料電池技術(shù)的耐久性和效率瓶頸方面具有巨大的潛力。
原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01895-3
本文由小藝撰稿
