氢燃料电池是清洁能源领域的明星技术，但其核心反应——氧还原反应（ORR）依赖昂贵的铂催化剂，且易被甲醇等杂质“毒害”。近日，金陵理工学院与南京信息工程大学团队在《Frontiers in Energy》发表研究，开发出一种新型Fe-N-C催化剂（Fe-PD/PGO），其ORR半波电位达0.886 V（比铂基催化剂高37 mV），甲醇耐受性更是远超传统材料，为低成本、高稳定燃料电池带来突破。

铂基催化剂为何“失宠”？

铂催化剂虽性能优异，但每克成本超千元，且易被燃料中的甲醇“黏住”活性位点，导致反应效率骤降。近年来，科学家尝试用铁、氮共掺杂碳材料（Fe-N-C）替代铂，但这类材料常面临活性位点不足、结构不稳定等难题，如同“拼图少了关键一块”。

双氮源“打配合”：活性位点密度翻倍

研究团队创新性地引入两种氮源——氰基胍（DCDA）和聚苯胺（PANI），前者像“氮元素仓库”提供高浓度氮原子，后者则像“结构工程师”形成三维多孔网络。通过两步高温煅烧，最终合成的Fe-PD/PGO催化剂氮掺杂量达3.29%，比单氮源材料提升近一倍。电镜图像显示，材料表面布满2纳米级孔隙，比表面积高达639.1 m²/g，相当于每克材料铺开一个篮球场大小的活性表面。

性能逆袭：半波电位领先，甲醇中毒“免疫”

在0.1 mol/L氢氧化钾电解液中，Fe-PD/PGO的ORR半波电位达到0.886 V（vs. RHE），比商业铂基催化剂（0.849 V）提升37 mV，质量活性更是其1.24倍。更惊艳的是，当向电解液注入3 mol/L甲醇时，铂基催化剂电流密度暴跌，而Fe-PD/PGO仅轻微波动。团队解释称，双氮源形成的Fe-Nₓ活性位点能快速切断甲醇吸附，如同“自带排毒过滤器”。

寿命挑战铂基：万次循环衰减仅7 mV

传统Fe-N-C催化剂常因活性位点脱落而“短命”，但Fe-PD/PGO在1万次循环后，半波电位仅下降7 mV，电流保留率超95%。XPS分析表明，材料中吡啶氮（N-P）与石墨氮（N-G）的比例达0.84，这种高活性氮构型如同“分子胶水”，将铁原子牢牢锚定在碳骨架上，避免性能衰退。

产业化之路：从实验室到生产线

研究团队采用“溶胶-凝胶法+可控煅烧”工艺，原料成本不足铂基催化剂的1/10，且合成时间从传统72小时缩短至24小时。目前，该材料已通过小规模试产，未来有望用于车载燃料电池和金属空气电池。不过，团队指出，材料中残留的微量硅元素（约0.5%）可能影响长期稳定性，需进一步优化蚀刻工艺。

这项研究不仅打破了铂基催化剂的性能垄断，更揭示了双氮源协同设计的巨大潜力。随着工艺迭代，燃料电池的“无铂时代”或许不再遥远。

来源: FIE能源前沿期刊