梁嘉顺，刘轩，李箐

华中科技大学材料科学与工程学院，材料成型与模具技术国家重点实验室，武汉 430074

1 引言

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一种高效、清洁的能源转换装置，可以通过电化学的方式将储存在氢气和氧气中的化学能转化为电能1-4。PEMFC具有十分广泛的应用前景，包括基站式电源、便携式电源以及电动汽车等。例如，2015年丰田公司推出了量产的氢燃料电池轿车—Mirai，极大地推动了PEMFC的应用5-7。然而目前PEMFC的大规模使用仍然受到其高成本、低使用寿命等因素的限制。PEMFC阴极发生的氧气还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)在动力学上十分缓慢，需要大量的贵金属铂(Pt)作为催化剂来加速反应的进行8-10。例如上述提到的Mirai汽车阴极使用的碳(C)载PtCo/C催化剂，阴极和阳极(催化剂为Pt/C)的Pt负载量分别为0.315和0.05 mg·cm-2，远高于美国能源部2020年的技术指标(0.1和0.025 mg cm-2)11,12。

在过去的十年内，Pt基氧还原催化剂的研究取得了较大的进展，研究者们通过密度泛函理论(DFT)计算搭建了催化剂电子结构-ORR活性的理论模型，即适当降低催化剂表面Pt原子的d-带重心能够削弱铂与含氧中间体的结合能，从而加快反应中间体的脱附来提高催化剂的活性13-16。基于这一理论模型，研究者在实验上设计了许多的铂基合金催化剂，包括Pt-Ni、Pt-Co以及Pt-Fe等来提高催化剂的氧还原活性17-19，并且取得较好的结果。然而这些合金催化剂通常存在稳定性不足的问题，这是因为在质子交换膜燃料电池高电压(0.6-1.0 V)和酸性环境的工作条件下，非贵金属极易发生溶解流失，导致催化剂性能的下降。……