氢能源汽车加速普及的当下，燃料电池核心材料铂（Pt）却成了“拦路虎”——每辆车的铂用量高达30克，成本占比超40%。近日，上海大学团队在《Frontiers in Energy》发表综述论文，系统解析了铂基单原子催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的突破性进展：通过将铂原子“拆解”成单个原子分散在载体上，催化剂质量活性达到商业铂碳材料的5.3倍，铂用量可降低90%，为氢能大规模应用扫清关键障碍。

铂催化剂之痛：贵金属“用不起”，性能“撑不住”

燃料电池通过氢氧反应发电，其中阴极的氧还原反应（ORR）如同“呼吸系统的咽喉”，需要铂催化剂加速反应。但传统铂碳催化剂存在致命缺陷——铂纳米颗粒易团聚脱落，导致活性下降；酸性环境和高电压下，载体碳材料还会被腐蚀，造成铂颗粒流失。数据显示，现有燃料电池铂催化剂成本占比超40%，且寿命仅5000小时，难以满足乘用车需求。

“这就像用黄金造螺丝钉，既昂贵又易损耗。”论文通讯作者张世明教授比喻道。研究团队发现，单原子催化剂将铂以原子级分散在载体上，既能实现“一个铂原子顶十个纳米颗粒”的极致效率，又能通过强金属-载体相互作用（类似“原子级铆钉”）提升稳定性。

技术突破：从“铂合金”到“单原子铂”的三级跳

传统优化路径聚焦铂合金和纳米结构调控。例如，铂与铁、钴等廉价金属合金化，可调节电子结构提升活性；将铂纳米颗粒做成线状、笼状结构，能暴露更多活性位点。但这类方法铂用量仍高达0.2-0.4 mg/cm²，且高温下金属易偏析导致性能衰减。

单原子催化剂的出现改写了游戏规则。研究显示，当铂以孤立原子形式锚定在氮掺杂碳载体上时，形成的Pt-N4活性中心（如图1）可将氧还原路径锁定为高效4电子反应，避免生成腐蚀性过氧化氢。实验数据表明，单原子催化剂质量活性达3.86 A/mgPt，是商业铂碳材料的5倍以上，且在6万次循环后性能仅衰减35.7%。

更巧妙的是“双原子协同”设计。例如，将铂原子与铁原子配对（如图2），铁原子通过电子效应“遥控”铂的d轨道能级，使氧气分子更易吸附和解离。这种“原子二人转”策略让催化剂在酸性环境中稳定性提升200%，且铂负载量低至0.02 mg/cm²。

产业化挑战：如何让“单原子”不再“孤单”？

尽管实验室成果亮眼，单原子催化剂仍面临三大瓶颈：原子密度低（通常<5wt.%）、高温易团聚、量产工艺复杂。论文指出，现有合成方法如原子层沉积、电化学沉积等，效率低且成本高昂，难以满足车载燃料电池的吉瓦级需求。

研究团队提出破局方向：开发新型载体材料。例如，用氮化钛（TiN）替代碳载体，可将铂原子固定效率提升3倍；采用金属有机框架（MOF）材料预设计锚定位点，能实现铂原子的高密度负载。此外，机器学习辅助的催化剂设计，有望在一年内将单原子密度从1%提升至10%。

未来展望：氢能汽车的“平价密码”

若单原子催化剂成功产业化，燃料电池成本将下降60%，寿命延长至1万小时以上。研究预测，2026年该技术有望在无人机和物流车领域率先应用，2030年搭载于乘用车。届时，氢能源车补能成本可与燃油车持平，加氢3分钟续航800公里将成为常态。

来源: FIE能源前沿期刊