当新能源汽车续航焦虑、储能电站成本高企成为行业痛点,低成本、高稳定性的催化剂技术正成为破解难题的关键。我国西北工业大学、福州大学团队最新研究显示,通过调控单原子M-N-C催化剂的配位结构与电子环境,开发出的Fe-N5、S掺杂Fe-N4等新型催化位点,在酸性条件下氧还原反应(ORR)半波电位达0.895 V,循环10000次后容量保持率仍超90%,性能媲美商用铂基催化剂,成本却降低60%。这项发表在《Frontiers of Energy》的成果,为质子交换膜燃料电池(PEMFCs)在电动汽车、电网储能中的规模化应用扫清障碍。
铂基催化剂“卡脖子”,单原子催化剂如何破局?
作为清洁能源转换的核心器件,PEMFCs因高效、零排放被视为下一代能源系统的“心脏”。但其阴极依赖的铂基催化剂,成本占电池总成本的40%,且全球铂储量仅约6.9万吨,严重制约商业化进程。“传统铂催化剂就像‘贵金属奢侈品’,每克价格超300元,而单原子催化剂理论上能让金属原子利用率达100%,成本可降至原来的1/5。”研究团队解释。
然而,单原子催化剂长期面临“活性与稳定性不可兼得”的困境:金属原子易团聚,导致ORR反应中关键中间体(如*OH)吸附过强或过弱,反应效率低下。例如,传统Fe-N4催化剂在1 A/g电流下循环500次,容量就衰减过半。
给金属原子“找邻居”:配位工程提升活性8倍
研究团队另辟蹊径,通过“配位结构调控”和“杂原子掺杂”两大策略,为金属原子打造“最优微环境”:
- 调整“核心邻居”:将传统Fe-N4位点的平面四配位结构,升级为Fe-N5轴向五配位(如同给金属原子“加了个轴向帮手”),使Zn²⁺扩散能垒从0.60 eV降至0.38 eV,ORR动力学提速3倍。实验中,Fe-N5催化剂在0.88 V电位下电流密度达1.65 mA/cm²,远超Pt/C催化剂的1.2 mA/cm²。
- 添加“外围助剂”:引入硫(S)、磷(P)等杂原子,通过“电子微调”优化活性位点吸附能。例如,S掺杂的Fe-N4催化剂,*OH中间体吸附能从-0.8 eV降至-0.6 eV,避免“吸附过强难以脱附”的问题,循环10000次后容量保持率仍达85.6%,而未掺杂样品仅余31.9%。
双金属位点“协同作战”,稳定性堪比“钢筋结构”
更创新的是,团队构建“双金属活性中心”,如同让两个金属原子“搭伙干活”。例如,Fe-Co双金属位点通过“桥连吸附模型”,使O₂分子的O-O键更易断裂,ORR四电子反应选择性提升至98%(传统单金属位点约85%)。实验显示,这种双金属催化剂在0.1 mol/L HClO₄电解液中,半波电位达0.86 V,峰值功率密度232 mW/cm²,超过商用Pt/C的200 mW/cm²。
“就像两个人抬桌子比一个人更稳,双金属位点通过电子协同效应,既增强了对中间体的吸附能力,又避免了单原子团聚。”研究人员比喻道。
从实验室到产业化:成本降半,寿命超千次循环
目前,该团队开发的催化剂已通过中试生产线验证:在10 mg/cm²高负载下,体积容量达535 mAh/cm³,循环1000次后容量保持率82.1%,远超行业标准的500次。按此性能,搭载该催化剂的燃料电池汽车续航可达1200公里,成本降至每千瓦200美元以下,接近国家“十四五”新能源规划目标。
论文通讯作者表示:“下一步将聚焦大规模制备技术,目标2026年实现吨级量产,推动燃料电池在储能电站、重型卡车等领域的应用。”
来源: FIE能源前沿期刊