黄昱课题组再创突破！燃料电池寿命预测超20万小时，重型应用迎来广泛落地新机遇！

第一作者：刘泽延，彭博思

通讯作者：黄昱教授

单位：加州大学洛杉矶分校（UCLA）

随着清洁与可再生能源需求的不断增长，质子交换膜燃料电池（PEMFC）备受关注。虽然轻型车辆的燃料电池已迈入商业化初期，但因基础设施建设不足，其应用仍面临诸多挑战。相比之下，重型运输车辆的行驶模式降低了基础设施投资要求，并且燃料电池相对于锂电池更具拓展性优势，减少了电池自重带来的燃料损失。因此，重型应用市场被视为燃料电池广泛应用的重要突破口。

然而，重型车辆的独特运行条件对燃料电池提出了更高的要求。重型车辆的行驶里程通常是轻型车辆的六倍、燃料消耗超过八倍，迫使燃料电池必须在耐久性和能效上实现质的飞跃。为此，美国能源部为重型车辆制定了燃料电池寿命由8,000小时提升至30,000小时、效率由70%提升至72%的严格目标。实现这一目标需要催化剂在高电流密度区域保持90%以上的功率性能以保障启动和加速的功率输出，同时在低电流密度区域具备高催化活性以满足长时间巡航的高燃料效率。目前，尚未有催化剂能这些指标。

基于此，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的黄昱教授，在Nature Nanotechnology上发表题为“Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications”的文章。该工作设计了一种由石墨烯包覆及载体介孔限域的纯铂纳米催化剂，双重限域效应从动力学上极大的提高了稳定性。90，000圈加速稳定性测试后基于此催化剂的膜电极在大电流密度下的功率损失仅为1.1%，预计催化剂稳定性超200，000小时。

图1. 综合性能与美国能源部目标及文献催化剂的比较，和相应催化剂结构表征。

迄今为止，在经济型轻型车辆应用中，膜电极组件中Pt催化剂的活性与耐久性已取得显著进展。用硅或碳均匀涂层保护催化剂能有效减缓其衰退，但传统碳包覆过厚或不均可能降低催化剂活性或包覆有效性，这说明需要构建既保护又不牺牲活性的均匀包覆层。此前我们的研究中，通过多孔石墨烯纳米口袋保护的超细PtCo催化剂在低负载下表现出高性能和稳定性，但在重型车辆应用中，非贵金属流失及阳离子中毒仍严重影响长期耐久性。以之前工作中的PtCo@Gnp催化剂（约0.25 mgPt/cm²）为例，经过30,000循环AST后其在0.67 V处功率下降约5%，高电流密度区的性能保持仍不理想。目前尚无催化剂能在DOE苛刻AST条件下实现<10%的性能损失并满足全部指标。

由于重型车辆的特性，其对燃料电池成本及相应催化剂载量的要求相对放宽，但对稳定性要求极大提高。因此催化剂设计也应从追求高活性转为追求极致稳定性。为预测重型燃料电池催化剂寿命，美国能源部M2FCT已将加速稳定性循环圈数延长至90,000，这对催化剂耐久性提出了巨大挑战，也为开发适用于重型车辆的高耐久性纯Pt催化剂奠定了基础。

要点二：催化剂合成与结构表征

本文通过浸渍法和热处理一步合成出具有石墨烯包覆和载体介孔限域的高载量纯铂纳米催化剂， Pt@Gnp/KB。通过对比反应表面信息的XPS和体相信息的ICP，发现与商用催化剂相比，Pt@Gnp/KB表面Pt比例明显减少。TEM与表面二次电子图像进一步验证了这一点，显示Pt@Gnp/KB表面颗粒明显减少。此外，高分辨率扫描TEM和EELS映射清楚地表明，Pt纳米颗粒均被约石墨烯层所覆盖。

要点三：性能及稳定性测试

基于5 cm²单电池膜电极，UCLA团队按照美国DOE标准对Pt@Gnp/KB催化剂与商用催化剂进行了对比评估，并采用90,000循环的加速稳定性测试。其主要性能结果如下:

1 在H₂/O₂条件下，Pt@Gnp/KB的氧还原反应质量活性（MA）为0.74 A/mgPt，与商用Pt/KB相当（0.79 A/mgPt），远高于商用Pt/VC（0.35 A/mgPt），且在AST后MA保持率达87.8，EOL MA为0.65 A/mgPt，分别是商用Pt/KB和Pt/VC的2.2倍及8.1倍。（图2 a-b）

2 H₂-air下（流速基于实际应用场景限制，约为H2-air 200-500 sccm）的额定功率测试（0.67 V下）显示，Pt@Gnp/KB的额定功率为1.08 W/cm²，且90,000循环后功率损失仅1.1%，远低于商用催化剂的17.5%和39.6%。（图2 c-g）

3 电压效率分析表明，Pt@Gnp/KB燃料电池初始峰值效率达到71.9%，且在AST后仅下降2.0%，明显优于商用催化剂。（图3 a-b）

4 在1.5 A/cm²下，催化剂的电压降仅为4.9 mV，换算得其推算寿命约为218,000小时，远超商业催化剂和DOE 2050对重型车辆30,000小时寿命目标。（图3 c-e）

要点四：高稳定性机制分析

经过90,000循环AST后，后续表征与尺寸分析验证了Pt@Gnp/KB催化剂的卓越耐久性 （图4）。高分辨扫描TEM和EELS映射显示，其石墨烯保护层依然完好无损。TEM结果表明，Pt@Gnp/KB催化剂具有更均匀的颗粒分布和较窄的尺寸分布，平均尺寸仅为5.4 ± 1.1 nm，仅为商用催化剂的一半，而商用催化剂则呈现出明显的颗粒长大和团聚现象。质荷加权分析进一步表明，Pt@Gnp/KB中大部分Pt质量分布在小于10 nm的颗粒中，而商用催化剂中超过80%的Pt质量来自大颗粒。此外，通过膜电极横截面中Pt带的分析发现 （图5），Pt@Gnp/KB的Pt溶解显著降低（仅6.4 ± 1.3%），对应其EOL电化学活性面积高达27.5 m²/gPt，比商用催化剂高83%至287%，这确保了相对较低的氧气传质阻力。更重要的是，Pt@Gnp/KB催化剂与离子聚合物磺酸基直接接触的Pt表面比例较低，经CO置换实验测得的磺酸根覆盖率仅为3–6%，远低于未保护或传统方法碳包覆催化剂。同时，这也证明了一步法同时合成铂纳米颗粒及石墨烯包覆相对于传统包覆方法更具均匀性与有效性。

这些结果表明，石墨烯纳米口袋有效减缓了奥斯特瓦尔德熟化、颗粒团聚和催化剂毒化效应，从而显著提升了燃料电池的耐久性。

图2. 稳定性前后H2-O2 质量活性表征及H2-air实际功率密度表征。

图3. 基于H2-air实际功率密度及稳定性对燃料电池效率及寿命的推算。

图4. 稳定性后表征及高稳定性机制分析。

图5. 膜电极横截面分析铂溶解情况。

Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications

黄昱，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）Traugott and Dorothea Frederking 讲席教授，材料科学与工程系和化学系教授、博士生导师, 英国皇家化学会士（Fellow of RSC），美国材料研究学会士（Fellow of MRS）, 美国国家科学院卡夫里学者 (Kavli Fellow of NA S)，斯隆学者（Sloan Fellow), . 黄教授是世界知名的材料科学家和化学家，在功能性纳米结构的可控合成与组装方面作出卓越贡献, 常年被被评为科睿唯安高被引科学家是全球科研领域的顶尖学者之一。她在氢能源经济催化剂设计领域的突破性研究成果荣获享有“能源科学诺贝尔奖”美誉的2023年ENI能源转型奖，充分彰显了其在能源科学领域的领导地位. 黄昱教授获得的其他荣誉包括: 英国皇家化学会皇家化学学会（RSC）材料化学前沿奖, 皇家化学学会（RSC）法拉第前沿奖, 国际电化学学会(ISE)实验电化学, 国际贵金属学会（IPMI）卡罗尔·泰勒奖（Carol Tyler Award）,  美国国家科学基金会（NSF）特别创意奖,  美国国立卫生研究院 （NIH）创新奖，美国政府颁发的青年科学家总统奖（PECASE）国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）青年化学家奖等。课题组长期欢迎本科生、硕士研究生、博士研究生及博士后加入。

刘泽延，本科毕业于浙江大学化学系，博士毕业于美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学与工程系，现博后就职于美国西北大学化学系。

课题组网页：Http://yhuang.seas.ucla.edu