胡传刚等最新Chem：筛选双原子位点破解Fe基催化剂酸性溶解难题

第一作者：王靖雯

通讯作者：张利鹏*，杨林*，白正宇*，陈忠伟*，胡传刚*

单位：河南师范大学，北京化工大学，淮南师范学院，中国科学院大连化学物理研究所

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的商业化高度依赖高效稳定的阴极氧还原（ORR）催化剂。因ORR活性优异和成本低廉等特点，铁单原子催化剂（Fe-NC）是替代昂贵铂基催化剂的理想候选材料。然而，Fe-NC催化剂在酸性环境下的稳定性差，Fe金属中心容易从碳基底上脱落并溶解，导致性能快速衰减。这一问题已成为制约其实际应用的核心瓶颈。如何从原子层面理解，并设计兼具高活性和高耐久性的Fe基催化剂，是当前燃料电池领域亟待解决的关键问题。

近日，北京化工大学胡传刚、张利鹏教授、河南师范大学的杨林、白正宇，与中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟教授团队，在国际知名期刊Chem发表题为“Screening, designing, and elucidating anti-dissolving dual atomic sites for highly durable proton exchange membrane fuel cells”的重要研究成果。该文章通过提出一种新颖的理论描述符，同时预测双金属原子位点在酸性介质中的稳定性和ORR活性，并筛选出对酸性ORR兼具稳定性和活性的Cr-Fe双原子位点。

传统的双金属催化剂筛选依赖大量试错实验，成本高而效率低；本文基于DFT计算，构建了涵盖3d过渡金属（Sc~Zn）与Fe组合的双原子位点。发现描述符φ（与金属的电负性、d轨道电子数等内在性质相关）主要与金属溶解电位Udiss、中间体*OH吸附能ΔGOH相关，根据φ描述符，发现Cr-Fe双原子位点具有可能的最优稳定性和活性。这一描述符为理性设计抗溶解型双原子位点催化剂提供了通用准则。

通过分步热解策略制备的Cr/Fe-NC催化剂在PEMFC中表现出优异的稳定性，在0.1 M的HClO4电解液中，其半波电位经过50,000次循环后仅降低22 mV，而Fe-NC则下降75 mV。此外，基于Cr/Fe-NC阴极组装的PEMFC，在0.6 V时经过30,000次加速老化循环测试后，电流密度保持率为75%；在H2-空气条件下运行210 h后，其初始电流密度仍保持在55%（从410 mA cm-2降至220 mA cm-2），优于大多数已报道的Fe-NC催化剂。

原位X射线吸收光谱、ATR-SEIRAS红外吸附光谱以及理论计算表明，Cr和Fe原子之间的d-d轨道相互作用增强了M–N键合；同时，Cr-Fe双金属位点促进了O–O键的直接断裂，使ORR遵循解离路径，避免了耦合路径中自由基对Fe位点的氧化和破坏，从而同时增强催化剂的抗溶解能力。

Screening, designing, and elucidating anti-dissolving dual atomic sites for highly durable proton exchange membrane fuel cells Chem (2026),

胡传刚教授简介：北京化工大学化工学院，教授、博导，国家级海外高层次青年人才。氢能科学与工程专业负责人；入选斯坦福大学2024全球前2%顶尖科学家和2024终身科学影响力榜单。2015年于北京理工大学取得博士学位。2015年到2019年，美国凯斯西储大学做博士后；2019年到2020年在澳大利亚新南威尔士大学做研究助理。长期从事先进能源催化材料的精确设计、合成与制备，及其在新能源器件中的应用。目前，发表SCI论文100余篇，参与编著英文书籍3章。论文总被引用19800余次，h-index为74。以第一/通讯作者在PNAS、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nature Commun.、Adv. Mater.等国际顶级期刊发表论文70余篇。担任Frontiers in Materials期刊（Carbon-based Materials）的主编。Nano research energy、e-science、物理化学学报等期刊青年编委。

陈忠伟院士简介：加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，能源催化转化全国重点实验室主任，动力电池与系统研究部部长,国际电化学能源科学院副主席。陈忠伟院士致力于燃料电池、高能硅基锂离子电池、锂硫电池、锌空储能电池以及超级电容器的先进纳米材料开发与产业化。近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci.等期刊发表SCI论文700余篇，被引77000余次，H-index指数154。

白正宇教授简介：河南师范大学教授，博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，中国化学会青年化学工作者委员会委员，河南省创新型科技团队带头人，河南省高校科技创新团队带头人，曾于2016年-2017年在加拿大滑铁卢大学从事博士后研究，获第四届国际电化学科学与技术大会（EEST2018）“杰出青年学者”称号。致力于绿色新能源纳米材料、燃料电池、金属-空气电池催化剂等方面研究。主持国家自然科学基金委优秀青年基金、面上项目等多项。在Nat. Sustain.、Nat. Commun.、Angew.Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际知名SCI杂志上发表论文80余篇。

杨林教授简介：河南师范大学化学化工学院教授，博士生导师。毕业于中国科学院兰州化学物理研究所，获物理化学博士学位。2008年任河南师范大学副校长，教育部“绿色化学介质与反应”重点实验室副主任。1989-2002年先后在德国布伦瑞克科技大学、德国哈雷大学和香港中文大学国家公派访问学者或客座研究员。主要研究领域是无机纳米结构材料的仿生合成及其在能源存储与转化中的应用。在Nat. Sustain.、Chem. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际期刊发表论文260多篇。

张利鹏教授简介：北京化工大学化学工程学院教授，博士生导师。有机无机复合材料全国重点实验室、氢能材料智能设计与制造北京市重点实验室成员。研究领域包括利用多尺度计算模拟及人工智能方法进行碳基纳米催化材料、碳基复合功能材料构-效关系及设计与改性，氢能利用及CO2转化等相关反应热力学、动力学研究。主持国家自然科学基金、科技部重点研发计划子课题、配套项目等多项研究课题。在包括Advanced Materials、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI论文100余篇，被引10000余次，H因子40。