背景介绍

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是清洁能源转化的重要技术，但阴极氧还原反应（ORR）动力学迟缓，严重制约其广泛应用。Pt基纳米材料仍是酸性ORR最有效的电催化剂，但商业Pt/C存在成本高、耐久性不足等问题。将Pt与Ni等3d过渡金属合金化，可通过配体效应和应变效应提升本征活性；然而，PtNi合金中的Ni在酸性环境中热力学不稳定，易发生溶出，导致形成较厚的Pt壳或骨架结构，几何应变逐渐丧失，长期运行中催化性能显著衰减。一维纳米线结构可缓解颗粒团聚和Ostwald熟化等物理降解，但仅靠形貌调控难以从根本上改变表面合金原子的化学稳定性。因此，如何同时稳定晶格中的过渡金属并进一步优化Pt位点活性，是实用化PEMFC催化剂面临的关键挑战。

成果简介

针对上述问题，天津大学邹吉军教授、黄振峰教授团队通过溶剂热法合成了四元PtNiMoRu纳米线（PtNiMoRu NWs/C）电催化剂，提出“双掺杂解耦稳定性与活性来源”的设计策略。研究表明，Mo掺杂主要作为晶格稳定剂，通过增强Mo–Ni电子相互作用、提高Ni空位形成能，抑制Ni在酸性条件下的溶出；Ru掺杂则主要调控Pt活性位点的d带中心，优化含氧中间体吸附，促进反应动力学。优化后的PtNiMoRu NWs/C在0.9 V vs. RHE下质量活性达1.04 A·mg_Pt⁻¹，比活性达2.81 mA·cm⁻²，分别为商业Pt/C的5.2倍和8.3倍；经30,000圈加速耐久性测试后，半波电位仅负移9 mV，而商业Pt/C在5,000圈后即衰减21 mV。计时电流法测试中，PtNiMoRu NWs/C在0.80 V vs. RHE运行100 h后仍保持90.46%的初始电流密度，商业Pt/C在25 h内损失近35%活性。在单电池PEMFC测试中，该催化剂峰值功率密度达1.18 W·cm⁻²。该工作通过在多金属合金中精准设计元素特定功能，为开发高活性、高耐久Pt基电催化剂提供了通用思路。

图文导读

图1 材料合成与结构表征。(a) PtNiMoRu NWs/C的合成流程示意图。(b) Pt NWs/C、PtNi NWs/C、PtNiMo NWs/C 及 PtNiMoRu NWs/C 的 XRD 形貌图。(c) PtNiMoRu NWs/C 的 TEM 图像。(d) PtNiMoRu NWs/C 的 HRTEM 图像。(e) PtNiMoRu NWs/C 的 HAADF-STEM 图像。(f) PtNiMoRu NWs/C 的 EDX 元素分布图。(g) 四种元素（Pt、Ni、Mo 和 Ru）的 EDX 分布图叠加图。

图2 电子结构分析。(a) Pt NWs/C、PtNi NWs/C、PtNiMo NWs/C 及 PtNiMoRu NWs/C 中 Pt 4f 的高分辨率 XPS 谱图。(b) PtNi NWs/C、PtNiMo NWs/C 及 PtNiMoRu NWs/C 中 Ni 2p 的高分辨率 XPS 谱图。(c) PtNiMo NWs/C 及 PtNiMoRu NWs/C 中 Mo 3d 的高分辨率 XPS 谱图。

图3 ORR活性、稳定性与PEMFC性能。(a) 在含O₂饱和的0.1 M高氯酸溶液中，使用RDE在三电极电池中测得的ORR的LSV极化曲线；电流密度已按电极的几何表面积（0.196 cm²）进行归一化处理。(b) Tafel斜率。(c) PtNiMoRu NWs/C与商用20% Pt/C在ADT处理前后各自的 ORR 极化曲线。(d) Pt/C与PtNiMoRu NWs/C催化剂在0.8 V vs. RHE条件下运行的计时电流法响应曲线。(e) PtNiMoRu NWs/C与商用20% Pt/C的性能综合对比。(f) PEMFC 装置示意图。(g) 采用PtNiMoRu NWs/C与商用20% Pt/C的PEMFC放电极化曲线及功率密度图（操作条件：绝对压力150 kPa，H₂/O₂流量比0.5/1.0 L·min⁻¹，温度80 °C，相对湿度100%）。(h) PEMFC 性能与ESM中表S4所列催化剂的对比。

图4 反应机理。(a) 原位FTIR光谱示意图。(b) 20% Pt/C的原位 FTIR 光谱。(c) PtNiMoRu纳米线/C的原位FTIR光谱。(d) PtNiMoRu纳米线/C在1044 cm⁻¹处的FTIR吸收伸缩振动峰，以及20% Pt/C在1047 cm⁻¹处的相应峰。(e) Mo原子与Ru原子在PtNi (111)晶面中的结合位置示意图。(f) Pt (111)与PtNiMoRu (111)晶片上表面Pt原子的d-PDOS值曲线图。(g) OH、O及OOH在Pt (111)与PtNiMoRu (111)表面的吸附能。(h) PtNi (111)、PtNiMo (111)及PtNiMoRu (111)晶片的EV(Ni)值。

作者简介

黄振峰，国家高层次青年人才计划入选者，天津大学教授//博士生导师，主要从事绿色燃料电化学合成及反应工程研究。主持国家重点研发计划（课题/子课题2项）、国家自然科学基金（面上、青年）、企业合作项目等16项；以第一作者/通讯作者在Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等期刊发表论文60余篇；总他引15000余次，ESI高被引/热点论文15篇；获得侯德榜化工科学技术青年奖，化工学会基础研究成果一等奖、石化联合会科技进步一等奖、科睿唯安“全球高被引科学家”、美国化学会年会优秀指导教师奖等奖励和荣誉。

邹吉军，天津大学讲席教授、教育部长江学者、国家万人计划科技创新领军人才，主要从事氢能及能源化工研究，承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金国际合作项目等，在Nat. Energy、Nat. Commun.、等发表论文260余篇、出版英文和中文专著各1部，入选科睿唯安和爱思唯尔高被引学者；授权美国及中国发明专利50余项；获得国家自然科学二等奖、化工学会基础研究成果一等奖、石化联合会科技进步一等奖、侯德榜化工科学技术创新奖等。

文章信息

Dong X, Wu X, Wang H, et al. Decoupling activity and stability in PtNiMoRu nanowires for durable acid oxygen electroreduction. Nano Research, 2027, 20(1): 94908870. https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908870.

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