研 究 背 景

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是交通领域脱碳与实现2050净零排放目标的核心技术之一，尤其适用于重型车辆、轨道交通、航空及船舶等长寿命场景（目标寿命30,000–80,000小时）。然而，阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢，催化剂在运行中面临纳米颗粒团聚、奥斯特瓦尔德熟化、碳载体腐蚀及离子毒化等多重降解机制，导致性能快速衰减。当前降低铂族金属（PGM）载量（欧盟2030目标：低于0.2 mg cm^-2或0.25 g kW^-1）与保证耐久性之间存在尖锐矛盾。传统湿化学或固相合成策略虽可通过包覆、合金化等手段提升稳定性，但步骤繁琐、能耗高且难以经济规模化。火焰喷雾热解（FSP）作为已实现吨级工业化连续生产的气相技术，为一步构建保护性纳米结构催化剂提供了前所未有的可能性，但此前一步法碳嵌入Pt催化剂的研究存在Pt含量低（仅2.6 wt.%）、分散不均及初始活性不足等问题。

成 果 介 绍

德国航空航天中心Pawel Gazdzicki等人采用可控气氛火焰喷雾热解技术，以乙酰丙酮铂为前驱体、二甲苯为碳源，在氧贫气氛下一步合成Pt纳米颗粒嵌入纳米碳网络催化剂（Pt-e-Cn，Pt含量30±2 wt.%）。在该过程中，气相Pt核作为结构引导，表面催化碳生长形成薄碳包覆层， neighboring碳包覆颗粒通过表面反应或团聚互连为随机纳米碳网络，最终经氮气急冷收集。所得催化剂中Pt纳米颗粒平均粒径约2.01±0.67 nm，碳网络平均厚度约15±8 nm，介孔与大孔体积分别约为商业高比表面积碳载Pt（Pt/CHSA）的4倍和2倍，BET比表面积达194 m² g^-1。经适当活化后，Pt-e-Cn在低Pt载量（0.15 mgPt cm^-2）膜电极中展现出与Pt/CHSA相当的本征ORR质量活性，且在30,000次加速应力测试（AST）后，于0.5 V下 retains 97%的初始功率输出，电化学活性表面积（ECSA）仅损失4%（CO stripping法），性能降解率低于5%，至少为Pt/CHSA的四分之一，满足美国能源部（DOE）及欧盟Clean Hydrogen 2030耐久性目标。该成果以“Durable Fuel Cell Cathode Enabled by Pt Embedded Nanoscale Carbon Network via a Scalable Process”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1. 可扩展一步法气相合成与自限性嵌入结构

FSP技术利用毫秒级高温（达3000 K）与10⁵–10⁶ K s^-1的急速冷却，使Pt前驱体在气相中成核生长，同时Pt表面催化碳氢化合物分解形成薄碳层。碳生长反过来抑制Pt颗粒粗化，实现高Pt载量（30 wt.%）下的窄分布纳米颗粒（~2 nm）均匀嵌入。该方法连续、可放大，避免了传统多步合成中组分间相互作用弱化的弊端。

2. 强Pt–C界面配位赋予本征稳定性

XPS显示Pt-e-Cn中Pt 4f_7/2峰位于71.1 eV，呈明显还原态；而Pt/CHSA在90 °C处理后仍出现72.7 eV的PtO_x肩峰。EXAFS分析表明，Pt-e-Cn的Pt–Pt配位数（7.8）显著高于Pt/CHSA（4.0），对应平均粒径约1.5 nm，且存在1.87 Å的Pt–C键，证实碳嵌入导致的强界面配位。CO置换实验进一步确认Pt表面被碳层有效覆盖，限制了CO吸附。

3. 超长耐久性与抑制的降解机制

30,000次AST后，Pt-e-Cn在0.5 V的电流密度损失仅3%，在0.8 V甚至略有增益；而Pt/CHSA在30,000次循环后于0.5 V损失35%，于0.8 V损失53%。Pt-e-Cn的ECSA损失（Hupd法12%，CO stripping法4%）远低于Pt/CHSA（65%和57%）。事后分析显示，Pt-e-Cn的Pt溶解量降低2.4倍（膜中Pt带浓度），且阴极催化层中Pt颗粒仍部分嵌入碳网络，有效抑制了团聚与粗化。

4. 催化剂层的连续有利结构演化

与Pt/CHSA的快速衰减不同，Pt-e-Cn在运行中经历连续优化：双电层电容（Cdl）增加155%，有效质子传输阻力降低约50%，表明碳表面氧化与离子omer重分布改善了润湿性和孔道连通性。CV分析显示Pt-e-Cn的Pt晶面由初始(110)特征逐渐演变为更稳定的(100)/(111)多晶结构，表面氧化起始电位正移，进一步减少了Pt溶解。

5. 高电流密度下的传质优势

Pt-e-Cn丰富的介孔/大孔层级结构显著降低了电荷转移与传质阻力。在2 A cm^-2下运行30,000次循环后，其电荷转移阻力增幅小于12%，而Pt/CHSA激增94%。Pt-e-Cn的总传质/电荷转移阻力比Pt/CHSA低69%，确保了大电流下的稳定输出。

图 文 解 析

图1 FSP装置与催化剂集成示意图

展示了前驱体溶液经雾化、点燃后在石英管反应器内形成喷雾火焰，Pt在气相中成核并被原位生长的碳网络包覆，最终经氮气急冷收集为Pt-e-Cn粉末，并进一步集成于膜电极组件（MEA）中的全过程。

图2 Pt-e-Cn的合成与物理化学表征

(A) FSP合成原理示意图；(B–C) HAADF-STEM图像显示Pt纳米颗粒密集嵌入非球形碳网络基质，高分辨图像可见晶格条纹；(D) 孔体积分布表明Pt-e-Cn的介孔与大孔显著优于Pt/CHSA；(E) 碳网络厚度统计平均为15.0±7.8 nm；(F) Pt粒径分布平均2.01 nm；(G) XPS证实Pt-e-Cn中Pt处于更还原态（71.15 eV），Pt/CHSA则出现高价态肩峰（72.67 eV）；(H–I) XANES/EXAFS显示Pt-e-Cn的白线强度接近Pt箔，Pt–Pt配位数更高，金属态更显著；(J) CO置换实验表明Pt-e-Cn在1% CO气氛下无还原电流，证实Pt表面被碳层有效遮蔽。

图3 MEA单电池性能与AST耐久性

(A) H₂-空气极化曲线与功率密度：初始Pt/CHSA峰值功率略高（1.20 W cm^-2 vs 1.06 W cm^-2），但30,000次AST后Pt-e-Cn反超并全面优于Pt/CHSA；(B–C) Pt/CHSA性能随AST持续衰减，Pt-e-Cn在10,000–30,000次循环间几乎完全保持；(D) 电流密度随AST循环变化：Pt-e-Cn在0.5 V和0.8 V均极稳定，Pt/CHSA则急剧下降；(E) 与近期文献及DOE目标（30 mV电压损失）对比，Pt-e-Cn的电压损失处于最低水平。

图4 电化学深入分析

(A) ECSA随AST循环变化：Pt-e-Cn经30,000次循环后Hupd法ECSA损失12%，CO stripping法仅4%；Pt/CHSA分别损失65%和57%；(B) 与文献催化剂对比，Pt-e-Cn满足DOE的ECSA损失目标；(C) CV演化显示Pt-e-Cn的Pt(110)特征逐渐减弱，Pt(100)/(111)比例相对增加，表面OH吸附受抑；(D) 有效质子传输阻力在Pt-e-Cn中下降50%后趋于稳定；(E) EIS解析显示Pt-e-Cn的电荷转移阻力在30,000次循环后增幅极小，无明显的低频传质半圆；(F) 变湿度CO stripping表明Pt-e-Cn在运行后仍保持优异的表面可及性与离子omer-free活性位点。

图5 催化层微观结构演化

(A–C) AFM导电性 mapping： pristine Pt-e-Cn导电面积>95%，活化后降至~38%，测试后<20%，反映表面离子omer重分布；但截面分析显示降解主要局限于靠近质子膜的~3 μm区域，本体结构保持完好。(E–G) FIB-SEM截面显示Pt-e-Cn的孔结构在AST后保持稳定，大孔面积略有增加；(H) Pt/CHSA则出现显著的非均匀结构变化。(I–J) TEM显示Pt/CHSA在膜附近形成明显的Pt溶解-再沉积带（距膜~1.7 μm），而Pt-e-Cn的Pt带浓度低2.4倍，且距膜更远（~3 μm）。(K–L) 高分辨TEM证实Pt-e-Cn中Pt颗粒在膜界面附近仍均匀分布且保持嵌入状态，Pt/CHSA则出现严重的大颗粒团聚。

研 究 小 结

本研究通过可控气氛火焰喷雾热解一步法，成功构建了Pt纳米颗粒嵌入纳米碳网络的高效耐久阴极催化剂（Pt-e-Cn）。该策略利用气相合成中Pt核原位引导碳网络生长，形成了强界面配位的嵌入结构，在确保反应物可及性的同时，有效抑制了Pt溶解、纳米颗粒团聚、离子毒化及表面氧化等降解机制。在低铂载量（0.15 mg cm^-2）实用膜电极中，Pt-e-Cn经30,000次加速应力测试后仍保留97%的功率输出与88%的ECSA，性能损失至少比商业Pt/CHSA低四倍，满足DOE及欧盟2030耐久性指标。此外，催化剂层在运行中发生连续有利的结构演化，质子传输与界面润湿性持续改善，进一步支撑了长期稳定性。该FSP技术已具备工业化连续生产潜力，并可拓展至Pt合金（如PtNi）及杂原子掺杂碳网络体系，为燃料电池、电解槽等苛刻电催化应用提供了兼具高活性、超长寿命与经济可行性的材料解决方案。

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：

Durable Fuel Cell Cathode Enabled by Pt Embedded Nanoscale Carbon Network via a Scalable Process

文章研究方向：

电催化

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70300

DOI: 10.1002/cey2.70300

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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