博文

ICM论文| 福州大学江莉龙团队：给PtIr换个“可调底座”：晶相工程解锁高性能氨燃料电池

已有 418 次阅读 2026-8-21 15:35 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

文章导读

氨具有高体积能量密度、成熟的储运设施和无碳特性，是重要的氢能载体之一。直接氨阴离子交换膜燃料电池(DA-AEMFC)能够将氨的化学能直接转化为电能，但阳极氨氧化反应（AOR）涉及多步脱氢和含氮中间体转化，反应动力学缓慢；同时，贵金属催化剂因对中间物种的强吸附导致催化剂中毒。由此，如何在NH₃活化与NH_x中间体脱附之间建立适宜的吸附平衡，是提升AOR活性和耐久性的关键。

近期，福州大学江莉龙团队的方辉煌、蔡熙阳、罗宇等通过调控钼基载体的碳化程度，构筑了金属Mo、β-Mo₂C、混合Mo_xC到γ-MoC等系列催化剂载体，进一步合成PtIr基催化剂。研究表明，晶相调控能够逐步调节PtIr与载体间的金属-载体相互作用（MSI），进而改变PtIr的电子结构、d带中心和水解离能力。其中，PtIr/Mo₂C-XC72实现了最合适的界面耦合，获得111.6 A g_PGM^-1的AOR峰值质量活性，并在DA-AEMFC中实现278.6 mW cm^-2的峰值功率密度。该工作为通过“载体相结构”精准调控金属活性位点提供了可推广的设计思路。

图文摘要：相工程调控PtIr-钼基载体界面，并将优化的AOR催化剂用于DA-AEMFC。

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Phase engineering enables tunable metal–support interactions for enhanced NH₃-AEMFC performance。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

扫二维码｜查看原文

二维码.png

https://doi.org/10.1039/d6im00154h

本文亮点

★ 构筑了从金属Mo到β-Mo₂C和γ-MoC的系列载体，实现PtIr-载体界面作用与电子结构的相依赖调节；

★ PtIr/Mo₂C-XC72具有最低的d带中心（−4.10 eV）和最低的OH脱附温度（约179 ℃），兼顾中间体脱附与水解离；

★ 优化催化剂达到111.6 A g_PGM-1的AOR峰值质量活性，1000圈循环后仅衰减8.0%，并实现278.6 mW cm^-2的单电池峰值功率密度。

图文解读

1.相工程构筑可调PtIr/Mo_xC界面

作者以XC-72负载的钼酸铵-间苯二酚-甲醛前驱体为基础，在H₂/Ar气氛下进行程序升温碳热还原，并通过700-950 ℃的处理温度调控碳化程度。XRD结果显示，碳原子逐步进入Mo晶格，载体由金属Mo依次演化为β-Mo₂C、混合Mo_xC和γ-MoC，为研究载体相结构对MSI的影响提供了连续可调的平台。

在最优PtIr/Mo₂C-XC72中，PtIr纳米颗粒平均粒径约为2.25 nm；高分辨TEM观察到0.220 nm和0.223 nm的晶格条纹，分别对应PtIr(111)和Mo₂C(121)晶面。HAADF-STEM及元素分布进一步显示Pt、Ir与Mo富集区域紧密接触，说明PtIr合金纳米颗粒与Mo₂C载体之间形成了清晰的界面耦合。

图1. 催化剂结构表征：（a）合成及相演化示意图；（b）不同钼基载体的XRD图谱；（c-e）PtIr/Mo₂C-XC72的电镜图；（f）HAADF-STEM及C、Mo、Pt、Ir元素分布。

2.相依赖MSI调控PtIr电子结构

XPS表明，随着载体碳化程度提高，Pt 4f和Ir 4f结合能整体负移，而Mo 3d结合能正移，反映了相依赖的界面电荷再分布。进一步的价带谱分析显示，PtIr/Mo₂C-XC72的d带中心最低，为 −4.10 eV。适度下移的d带中心有利于减弱毒化性含氮中间体的过强吸附，促进其从PtIr表面脱附，从而释放更多活性位点。

与此同时，水脉冲吸附-程序升温脱附结果显示，PtIr/Mo₂C-XC72的OH相关脱附峰位于约179 ℃，低于其他对比样品，说明其具有更优的水解离能力，可更快提供AOR所需的OH物种。值得注意的是，继续碳化至MoC后，界面轨道杂化发生改变，最优电子耦合反而被削弱，说明“碳化程度越高越好”并不成立，关键在于获得适度的MSI。

图2. 催化剂电子结构表征：（a）Pt 4f与Ir 4f XPS；（b）Mo 3d XPS；（c）UPS价带谱；（d）d带中心；（e）水脉冲吸附及程序升温脱附。

3.优化界面带来更快AOR动力学与更高稳定性

在1.0 M KOH + 0.1 M NH₃中，PtIr/Mo₂C-XC72表现出最突出的AOR活性，峰值质量活性达到111.6 A g_PGM^-1，显著高于其他Mo_xC载体样品。以几何电流密度0.1 mA cm^-2作为起始电位判据时，该催化剂同样具有最低的起始电位，显示出更有利的氨活化和脱氢动力学。

温度依赖测试进一步给出PtIr/Mo₂C-XC72的表观活化能为38.57 kJ mol^-1，低于PtIr/Mo_xC(MoC)-XC72和PtIr/MoC-XC72。经过1000圈连续CV循环后，PtIr/Mo₂C-XC72的峰值电流仅下降8.0%，而PtIr/MoC-XC72下降34.5%。这表明优化的MSI不仅提高反应速率，还能缓和NH_x中间体的过度吸附，增强抗中毒能力。

图3. AOR电化学性能：（a）不同催化剂的CV曲线；（b）起始区间放大图；（c）Arrhenius图；（d）PtIr/Mo₂C-XC72与PtIr/MoC-XC72循环前后的CV曲线。

4.从半电池走向DA-AEMFC器件

作者进一步将PtIr/Mo₂C-XC72用作DA-AEMFC阳极催化剂。单电池峰值功率密度达到278.6 mW cm^-2，对应电流密度为1026 mA cm^-2，在相近测试条件下优于多数已报道的DA-AEMFC阳极催化剂。半电池中形成的电子结构优势能够延续至器件尺度，说明相工程调控MSI不仅具有机理意义，也具备实际燃料电池应用潜力。

图4. DA-AEMFC性能：（a）电池结构与工作原理示意图；（b）采用PtIr/Mo₂C-XC72阳极的极化曲线和功率密度曲线；（c）与已报道工作的峰值功率密度对比。

总结与展望

本文通过钼基载体相工程，建立了“载体晶相-金属-载体相互作用-PtIr电子结构-AOR性能”的完整关联。β-Mo₂C并非简单充当导电载体，而是通过适度的界面电荷耦合，使PtIr获得下移的d带中心、减弱毒化中间体的过强吸附，并提升水解离能力，最终兼顾AOR活性、动力学和耐久性。优化的PtIr/Mo₂C-XC72在半电池和DA-AEMFC器件中均表现优异，证明相工程是调控MSI和构建高性能氨燃料电池阳极的有效途径。

未来可进一步结合原位光谱和理论计算，定量解析不同碳化物晶相下PtIr界面的轨道杂化、NH₃逐步脱氢及含氮中间体脱附过程；同时，可将该“相工程调控MSI”的思路拓展至其他金属/碳化物体系，在活性、抗中毒能力和器件稳定性之间寻求更优平衡。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

Chentao Mao, Chen Liao, Luyao Lin, Mingrong Li, Xiyang Cai, Huihuang Fang, Yu Luo, Lilong Jiang, Phase engineering enables tunable metal–support interactions for enhanced NH₃-AEMFC performance, Ind. Chem. Mater. 2026, https://doi.org/10.1039/d6im00154h.

期刊简介

Industrial Chemistry & Materials (ICM) 目前已被ESCI、EI、Scopus、CSCD、美国化学文摘（CA）、DOAJ等数据库检索，最新影响因子15.7，位列双学科Q1区，入选2024年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，入选中国科技核心期刊。是中国科学院主管，中国科学院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，目前对读者作者双向免费。欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享！