浙理工蒋仲庆教授最新CEJ：双等离子体实现超低PtRu负载DMFC阳极

第一作者：秦楚，王文杰，张钦

通讯作者：蒋仲杰*，洪崧富*，蒋仲庆*

单位：华南理工大学，国立阳明交通大学，浙江理工大学

直接甲醇燃料电池（DMFC）因甲醇燃料易储运、能量密度高而备受关注，但其商业化仍受制于阳极甲醇氧化反应（MOR）动力学缓慢、CO类中间体毒化与贵金属成本高等瓶颈。如何在超低贵金属用量下实现高效活性位点利用、稳定界面与更强CO耐受性，是DMFC阳极催化剂设计的关键问题。低温等离子体与磁控溅射等工艺可在常温/低温条件下完成无溶剂沉积与表面改性，精准调控纳米颗粒分布、缺陷和界面电子结构，为构建“超低PtRu负载且兼具活性与稳定性”的新型阳极提供了可放大的工程化路径。

近日，来自浙江理工大学的蒋仲庆教授与华南理工大学的蒋仲杰教授、国立阳明交通大学的洪崧富副教授合作，在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Plasma-engineered ultra-low RuPt alloy loading on N-doped carbon nanotubes for efficient methanol oxidation in direct methanol fuel cells”的文章。该文章提出一种双等离子体协同的低贵金属催化剂构筑策略：首先利用直流等离子体磁控溅射（DC-PMS）在CoFe嵌入的氮掺杂碳纳米管阵列（NCNT/CFC）上实现RuPt合金纳米颗粒的可控沉积，从源头上保证超低负载条件下的均匀分散与高利用率；随后通过射频等离子体（RF plasma）对碳载体表面缺陷与界面电子结构进行定向调控，增强金属—载体相互作用并稳定更“金属态”的活性表面。同步辐射XANES/EXAFS与XPS表明等离子体处理可促进零价Pt/Ru比例提升并形成更易参与反应的表面环境；DFT计算进一步揭示缺陷/氮位点对RuPt成核锚定和电子结构调节的关键作用，为CO耐受性提升提供理论支撑。最终，在仅0.73 wt.% Pt与0.11 wt.% Ru的超低PGM体系中，该阳极在在0.35 mg cm-2的贵金属负载量下，达到402.6 mA mg⁻1PGM的活性，在MOR与单电池DMFC测试中表现出稳定输出与良好抗毒化能力，展示了可扩展、绿色的低贵金属催化剂工程化路径。

通过“磁控溅射+射频等离子体后处理”的双等离子体路线，作者在自支撑NCNT骨架上实现了超低PtRu负载下的均匀沉积。SEM/TEM显示，RuPt纳米颗粒能够高密度、均匀锚定在NCNT表面，显著降低传统低负载体系常见的团聚与分布不均问题；射频等离子体处理后，整体纳米线/纳米管网络形貌保持稳定，体现出后处理的温和性与结构兼容性。这一“先精准沉积、再界面调控”的工艺逻辑，使得在极低贵金属用量下仍可获得可观的有效活性位点暴露。

XRD与同步辐射XAS进一步从晶体结构与局域配位层面验证了双等离子体策略的有效性。XRD显示，溅射引入Ru后Pt相关衍射峰发生可辨识的偏移，表明Ru进入Pt晶格并形成合金化结构；RF等离子体处理前后衍射特征基本一致，说明该后处理主要作用于表面/界面而不破坏主体晶相。同步辐射Pt L3-edge XANES/EXAFS则揭示等离子体处理引起的局域结构与电子态演化：白线峰强度降低、局域配位环境更趋于“表面化/低配位”，与XPS中更高的金属态比例相互印证。这些证据共同说明：该策略能在原子尺度实现对合金与界面的可控调节。

在半电池MOR测试中，等离子体处理后的电极表现出更高的单位贵金属活性与更好的抗CO中毒特征，说明活性位点利用率与界面反应环境得到同步改善。进一步组装成DMFC后，该自支撑阳极在相同条件下输出更高的功率密度并保持更稳定的放电曲线，对比商用PtRu/C涂覆电极更不易出现脱落与快速衰减。整体结果表明：即便在超低PtRu用量约束下，通过“均匀沉积+缺陷/界面调控”仍能把性能保持在具有竞争力的水平，验证了该策略在器件层面的可行性与实际意义。

DFT计算从原子尺度解释了等离子体为何有效：碳缺陷与氮掺杂位点显著提高RuPt团簇在载体上的结合与成核倾向，使超低负载下仍能形成稳定而高分散的RuPt活性相；同时，界面耦合会调节Pt的电子结构，使d带中心远离费米能级，从而削弱CO吸附并提高CO耐受性。对比金属态RuPt与部分氧化表面模型可见，氧化会使关键步骤能垒变差，说明等离子体促进更“金属态”的表面环境对维持MOR路径至关重要。这条“缺陷锚定→电子调控→抗毒化增强”的机制链，为低负载PGM催化剂的设计提供了清晰可迁移的理论依据。

Plasma-engineered ultra-low RuPt alloy loading on N-doped carbon nanotubes for efficient methanol oxidation in direct methanol fuel cells

蒋仲庆教授简介：浙江理工大学教授，博士生导师。浙江省自然科学杰出青年基金获得者，入选浙江省151人才工程，浙江省高校领军人才等。已主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金大科学装置项目等10余项，在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem.-Int. Ed., Adv. Sci., Carbon Energy, Small等学术刊物上发表研究论文180余篇，授权国家发明专利20余项，出版英文学术专著2部。第一完成人获浙江省自然科学奖、宁波市科技进步奖、宁波市青年科技奖等多项。担任中国电工技术学会等离子体及应用专业委员会委员，浙江省膜产业协会理事。