研 究 背 景

阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）是构建绿氢社会的关键技术，但碱性介质中缺乏质子，析氢反应（HER）需额外经历水解离步骤，动力学远慢于酸性环境，这对电催化剂的活性与耐久性提出了极高要求。将Ni引入Pt形成合金是经典策略：Ni可削弱Pt过强的氢吸附强度（Sabatier原理），同时促进水解离。然而，Ni在碱性条件下热力学上易转变为Ni(OH)₂或溶出，导致合金表面逐渐Pt富集，协同效应丧失，催化剂快速失效。尽管原子有序金属间化合物被认为可提升稳定性，但其抗溶解的理论机制长期缺乏系统阐释。

成 果 介 绍

韩国材料研究所Sung Mook Choi等人通过DFT理论计算指导实验设计，系统揭示了有序PtNi（o-PtNi）金属间纳米结构抑制Ni溶出的本征机制。团队采用低温NaBH₄还原法合成无序PtNi/C（d-PtNi/C），经600 °C氮气退火处理获得原子有序o-PtNi/C。理论预测与实验验证高度一致：o-PtNi/C在半电池、单电池及实用级3电堆中均展现出优异的HER活性与超长耐久性。特别地，基于o-PtNi/C阴极构建的大型3电堆（活性面积64 cm²）在750 mA cm^-2下连续运行3000小时，降解率低于2%，能量效率保持率高达99.1%，充分证明了其工业化应用潜力。该成果以“Locking Ni Atoms in Ordered PtNi for Durable Hydrogen Production: From Electrocatalyst Design to Practical AEMWE Stack Validation”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1. 理论揭示有序结构抗溶解机制

DFT计算表明，o-PtNi在(111)、(110)、(100)各晶面的Ni溶解电位均显著高于d-PtNi。其中，d-PtNi的(100)面最易发生Ni溶出，而o-PtNi通过原子有序化大幅提升了该晶面的结构稳定性，从理论上阐明了有序相高耐久的根源。

2. 电子结构优化协同提升活性

Ni合金化使Pt的d带中心从−2.39 eV下移至−2.59 eV（o-PtNi），COHP分析证实金属-氢键强度适度弱化。碱性HER的Gibbs自由能计算显示，o-PtNi决速步能垒降至0.054 eV，远优于纯Pt（0.092 eV）。半电池测试中，o-PtNi/C在10 mA cm^-2下过电位仅为21 mV，质量活性约为商业Pt/C的1.8倍。

3. 原子有序"锁定"Ni，耐久性质的飞跃

100小时恒电流CP测试后，o-PtNi/C的电压衰减仅14.86%，而d-PtNi/C高达77.90%。事后分析显示，d-PtNi/C的Ni溶出量达53%，Pt/Ni原子比从1.14剧增至3.54；o-PtNi/C的Ni溶出量仅9%，Pt/Ni比稳定在1.37，超晶格特征峰与电子结构均完好保持。

4. 从实验室到电堆的全尺度验证

单电池（阴极4.9 cm²）在1.8 V下电流密度达1.55 A cm^-2，1100小时耐久性显著优于对照组。放大至3电堆（阴极64 cm²）后，在50 °C、0.2 M KOH中于750 mA cm^-2稳定运行3000小时，降解率仅1.8%，电压增长率为24 mV kh^-1，功耗仅46.7 kWh kg^-1 H₂。

图 文 解 析

图1 DFT计算揭示有序化效应

计算结果显示，o-PtNi在各暴露晶面的Ni溶解电位均高于d-PtNi，表明原子有序化需更高能量驱动Ni迁移。PDOS与COHP分析共同证明，Ni引入使Pt d带中心下移，适度弱化氢吸附强度；Gibbs自由能图进一步预测o-PtNi具有更优的碱性HER热力学路径。

图2 催化剂合成与结构表征

通过低温还原结合高温退火实现从无序到有序的相转变。XRD中o-PtNi/C出现(001)和(110)超晶格峰，证实由面心立方（fcc）向面心四方（fct）结构转变。HAADF-STEM线扫显示o-PtNi/C中Pt与Ni呈规则交替排列，而d-PtNi/C为随机分布。

图3 半电池性能与耐久性

LSV曲线显示PtNi合金化显著降低过电位与Tafel斜率。CP测试100小时后，o-PtNi/C电位几乎无衰减，而d-PtNi/C因Ni快速溶出导致电位大幅负移，直观证明了原子有序化对结构稳定性的关键作用。

图4 事后分析证实结构完整性

EDS-mapping显示o-PtNi/C的Ni保留率远超d-PtNi/C。XPS表明o-PtNi/C的Pt 4f峰位在测试前后无偏移，电子修饰效应得以保持；而d-PtNi/C负移0.33 eV，说明Ni溶出导致合金效应丧失。XRD进一步证实o-PtNi/C的超晶格峰完好保留。

图5 AEMWE单电池性能

o-PtNi/C单电池在1.8 V和2.0 V下的电流密度均优于商业Pt/C。EIS显示其电荷转移阻力更低。1100小时恒电流耐久测试中，o-PtNi/C的电压增长与降解率显著低于d-PtNi/C（12.0%）和Pt/C（6.6%）。

图6 3电堆长期运行验证工业可行性

放大至3电堆后，系统在3000小时内保持极高稳定性，能量效率稳定在71.6%左右。雷达图对比显示，该工作在运行时间、电流密度与电极活性面积等实用参数上均处于领先水平。DEMS分析证实阴极侧氧交叉与水传输被有效抑制，气体纯度高。

研 究 小 结

本研究通过"理论预测—材料合成—多尺度验证"的完整链条，系统阐明了原子有序结构提升PtNi合金本征稳定性的热力学起源，即通过提高各晶面Ni溶解电位"锁定"Ni原子，抑制碱性HER过程中的结构退化。所制备的o-PtNi/C催化剂在活性、耐久性与成本效益间实现了优异平衡，并成功在64 cm²级3电堆中完成3000小时稳定制氢验证。该工作不仅为低铂族金属（low-PGM）电催化剂的设计提供了理论范式，也为AEMWE技术的工业化推进奠定了材料基础。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Locking Ni Atoms in Ordered PtNi for Durable Hydrogen Production: From Electrocatalyst Design to Practical AEMWE Stack Validation

文章研究方向：

电催化

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70265

DOI: 10.1002/cey2.70265

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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