北京
近日，华北电力大学国家储能技术产教融合创新平台/新型储能技术北京实验室/能源电力创新研究院刘建国、李佳、李晓克团队依托国家重点研发专项《热电联供用燃料电池衰减机制及长寿命技术研究》、国家自然科学基金重点项目《面向富氧空气的燃料电池系统多尺度设计及性能优化》和中央高校基本科研业务费专项资金的支持，在国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》以封底论文的形式，在线发表了题为《Unlocking performance limits and maximizing Pt utilization in ultra-low loading PEMFCs via oxygen enrichment and interface engineering》的重要研究论文。
该工作聚焦超低铂负载质子交换膜燃料电池（PEMFC），发现氧气富集能有效缓解其存在的质量传输限制问题，并进一步揭示活化极化是富氧条件下制约性能的主要因素。该工作首次系统性地探索了“富氧操作”作为超低铂PEMFC全新操作的科学内涵与实践路径。
图1.氧浓度对PEMFC极化特性和性能的影响
研究发现，氧气富集具有双重作用：一方面缓解低Pt负载MEA的质量传输瓶颈，显著降低浓差过电位；另一方面提升本征反应速率，降低活化过电位。在2 A cm-2下，氧浓度由21%提高至40%和100%时，浓差过电位分别降低71.5%和98.7%。
图2. 超低Pt负荷MEA在富氧条件下的优势和特征指标
进一步研究发现，引入富氧空气使得阴极0.025 mgPt cm-2超低载量MEA的Pt利用率接近30 W mgPt-1，其主要来自超薄催化层较高的Pt可及性和质子可及性。然而，当Pt负载降至0.015 mgPt cm-2时，Pt利用率明显下降，表明活性位点绝对数量不足开始成为新的性能瓶颈。
图3. 对三相界面进行调制，以提升超低Pt载量MEA的性能
在富氧条件削弱传质限制后，活化极化成为主要限制因素。为此，团队提出“双重优化”策略：一方面采用PtCo/C催化剂提升本征ORR活性，另一方面通过利用短侧链（SSC）离聚物优化三相界面，提高Pt位点可及性并降低物质传输阻力。最终，0.025 mgPt cm-2的超低载量下PtCo/C–SSC膜电极实现 2.35 W cm-2峰值功率密度和58.87 W mgPt-1的Pt利用率，并在0.67 V下连续运行120 h未观察到明显性能衰减。高Pt利用率与稳定性的同步实现表明，通过协同提升催化剂本征活性、优化三相界面并改善反应物传输，可在大幅降低贵金属用量的同时维持高功率输出和稳定运行，为开发高性能、低成本且具有商业应用潜力的PEMFC提供了有效路径。
刘建国教授研究团队聚焦氢能科学与工程前沿领域，构建了以PEM电解制氢、碱性电解制氢和燃料电池为核心的特色研究体系。团队面向国家重大战略需求，围绕氢能“制取-存储-利用”全链条关键技术，重点突破新型电催化剂设计合成、高性能膜电极组件开发、电堆系统集成优化、波动工况响应机制及寿命提升等核心科学问题。在人工智能辅助材料设计、系统优化运行控制、关键材料器件制备工艺等方面实现重要突破，显著提升了电解制氢系统的效率与稳定性。近年来，团队依托国家储能技术产教融合创新平台在国际权威期刊《NatureCommunications》《Angewandte Chemie International Edition》《Energy & Environmental Science》等发表系列高水平学术成果。
内容来源：华北电力大学
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