研究背景
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）因其高效、清潔等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輕型車輛（LDVs）、中型商用車及重型商用車（HDVs）等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的動(dòng)力電池相比，PEMFCs在中型及重型車輛中具有更少的重量懲罰和更好的可擴(kuò)展性。然而，PEMFCs在HDV應(yīng)用中的特殊操作條件，如較長(zhǎng)的行駛距離和較高的燃料消耗，帶來(lái)了更加嚴(yán)苛的耐久性和效率要求。因此，如何提高燃料電池的耐久性和效率成為當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
為此，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的黃昱教授、段鑲鋒教授等人在“Nature Nanotechnology”期刊上發(fā)表了題為“Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000?h for heavy-duty fuel cell applications”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種新型的超細(xì)鉑（Pt）催化劑，其表面通過(guò)石墨烯納米囊保護(hù)，且負(fù)載在Ketjenblack碳上（Pt@Gnp/KB）。通過(guò)這種新型催化劑，顯著提高了燃料電池的初始質(zhì)量活性和耐久性。具體而言，所制備的膜電極組件（MEA）在初始質(zhì)量活性為0.74 A·mgPt–1、額定功率密度為1.08 W·cm–2的同時(shí)，在經(jīng)過(guò)90,000個(gè)加速老化測(cè)試（AST）周期后，額定功率損失僅為1.1%。這一表現(xiàn)超過(guò)了當(dāng)前燃料電池公交車的狀況，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了DOE在HDV應(yīng)用中的終極目標(biāo)。
該研究成功解決了在高電流密度（HCD）區(qū)域和低電流密度（LCD）區(qū)域都能保持較高催化活性的問(wèn)題，并展現(xiàn)出極具前景的耐久性，預(yù)計(jì)該燃料電池的使用壽命可達(dá)到218,000小時(shí)，效率達(dá)到72%左右。該研究成果不僅推動(dòng)了PEMFCs技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，也為重型燃料電池車的長(zhǎng)效性和高效率提供了重要的技術(shù)支持。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次采用超細(xì)純Pt催化劑，表面通過(guò)石墨烯納米囊保護(hù)，并支撐在Ketjenblack碳載體上，開(kāi)發(fā)了一種新型高耐久性氧還原反應(yīng)電催化劑（Pt@Gnp/KB）。
（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)在MEA中使用該Pt@Gnp/KB納米催化劑，展示了其較高的初始質(zhì)量活性（MA）為0.74?A?mgPt–1，額定功率密度為1.08?W?cm–2，表明該催化劑在初始性能上具有優(yōu)異表現(xiàn)。
（3）通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的耐久性測(cè)試，經(jīng)過(guò)90,000個(gè)方波循環(huán)后，該MEA的額定功率損失僅為1.1%，表明該催化劑在整個(gè)操作區(qū)域內(nèi)展現(xiàn)出卓越的耐久性，遠(yuǎn)超現(xiàn)有燃料電池的表現(xiàn)。
（4）該催化劑在耐久性和效率方面的卓越表現(xiàn)使其使用壽命預(yù)測(cè)超過(guò)218,000小時(shí)，且效率達(dá)到72%，滿足并超越了美國(guó)能源部（DOE）2050年針對(duì)重型車輛（HDV）的燃料電池性能目標(biāo)。
圖文解讀
圖1：催化劑的總體性能演示和結(jié)構(gòu)特征
圖2：燃料電池性能評(píng)估
圖3. 燃料電池效率和壽命預(yù)測(cè)。
圖4. EOL催化劑的表征、粒度分布分析及相應(yīng)的MEA測(cè)試結(jié)果。
總結(jié)展望
這項(xiàng)工作報(bào)告了一種高度孔隙限域且表面保護(hù)的鉑納米催化劑，該催化劑在重型車輛（HDV）應(yīng)用中表現(xiàn)出卓越的耐久性。令人印象深刻的是，研究者設(shè)計(jì)的催化劑在經(jīng)過(guò)包含90,000次方波循環(huán)的激進(jìn)加速老化測(cè)試（AST）后，仍能同時(shí)提供1.08 W·cm–2的高功率密度和98.9%的前所未有的功率保持率。
憑借這種高功率穩(wěn)定性，研究者預(yù)計(jì)燃料電池的壽命將突破20萬(wàn)小時(shí)，是DOE 2050年重型車輛終極目標(biāo)的七倍以上，基于每個(gè)循環(huán)僅0.054μV的電壓損失率。卓越的催化劑耐久性可歸因于高程度的孔隙限域效應(yīng)和可接近的石墨烯層的保護(hù)作用。除了大大減少鉑的溶解和顆粒尺寸的增長(zhǎng)外，保護(hù)性石墨烯層還有效緩解了電解質(zhì)中毒效應(yīng)，這使得催化劑在超過(guò)40%的ECSA損失下仍能保持87.8%的質(zhì)量活性（MA）保持率，并實(shí)現(xiàn)了0.74 A·mgPt–1的出色MA。最終，燃料電池的效率達(dá)到了令人滿意的71.9%。盡管燃料電池技術(shù)的推廣面臨耐久性和效率這兩大持續(xù)瓶頸，但研究者的催化劑具有巨大的潛力，可以提高質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的商業(yè)可行性，特別是在重型應(yīng)用領(lǐng)域。
原文詳情：
Liu, Z., Peng, B., Tsai, YH.J. et al. Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000?h for heavy-duty fuel cell applications. Nat. Nanotechnol. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01895-3
