热烈祝贺我课题组曹勤工作在
Appl. Catal. B: Environ. & Energy发表
近日，Appl. Catal. B: Environ. & Energy (中科院Top 1区，影响因子: 21.1）发表我课题组在质子交换膜燃料电池领域最新成果。论文题目为《Synergistic Pt Single-Atom and Pt Nanoparticle Catalysts Anchored on N-Doped Mesoporous Carbon Architecture Boosting High-Performance Oxygen Reduction in PEMFCs》。
本工作通过采用锌辅助策略成功制备了一种铂（Pt）基的异质结构电催化剂，其中原子分散的铂单原子（PtSAs）和铂纳米颗粒（PtNPs）共存于氮掺杂（N掺杂）的介孔碳基质中。这种双活性位点构型最大化了原子利用率，从而弥合了单原子催化剂与传统纳米颗粒基催化剂之间的性能差距。这种混合架构表现出优异的氧还原反应（ORR）活性、长期耐久性和高选择性，其性能指标远超商用Pt/C催化剂。
图1. PtSA-NP/MPC950的合成与表征。(a) 合成过程的示意图；(b-d) 扫描电子显微镜图像；(e) 透射电子显微镜图像；(f) AC-HAADF-STEM图像；(g) HAADF-STEM-EDS元素 mapping 图像。
图2.MPC950、PtSA-NP/MPC950和商用Pt/C的电化学性能。(a) 基于PtSA-NP/MPC950的阴极催化剂层质子交换膜燃料电池示意图；(b) 循环伏安曲线；(c) 线性扫描伏安曲线；(d) 0.9 V时的半波电位和质量活性；(e) 塔菲尔图；(f) 1.0 V（相对RHE）处的电容电流密度（1/2ΔJ）与扫描速率的关系；(g) PtSA-NP/MPC950的H2O2产率和电子转移数；(h) H2-空气燃料电池的极化曲线和功率密度曲线，以及(i) 高电流密度下PtSA-NP/MPC950和Pt/C的EIS图。
所构建的异质结构电催化剂（PtSA-NP/MPC950）在酸性介质中表现出0.90 V vs. RHE的半波电位、1.26 AmgPt⁻¹的质量活性（是Pt/C的6.3倍），并在50,000次循环后耐久性提高42%。分级多孔碳载体提供了高效的物质传输，而铂单原子与纳米颗粒之间的协同相互作用优化了中间体结合——从而加速氧还原反应（ORR）动力学并抑制催化剂降解。互补的DFT计算进一步揭示，单原子与纳米颗粒的协同作用降低了决速步骤的能量势垒，并抑制了H₂O₂的形成，建立了直接的结构-性能关系，并为制备高负载、耐用且高效的电催化剂提供了一种可推广的设计范式。
论文第一作者为博士生曹勤，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126408