美国团队开发新型碳载体 燃料电池催化剂循环15万次保持85%

美国圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）麦凯尔维工程学院（McKelvey School of Engineering）Elvera和William R. Stuckenberg讲席教授Gang Wu领导团队，联合布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）、劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）、东北大学（Northeastern University）和匹兹堡大学（University of Pittsburgh）团队，在低温燃料电池催化剂方面取得进展。他们开发出一种新型纳米结构碳载体，可在高温下制备高活性、高稳定性的铂钴金属间纳米颗粒。相关成果于2026年8月6日发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。

这项技术面向的现实问题之一来自数据中心用电。美国新建数据中心的激增，推高了其运行和冷却所需的电力需求。电力研究院（Instituto de Investigación de Energía Eléctrica）估计，到2030年，数据中心的耗电量可能达到美国年发电量的9%，而2023年这一比例约为4%。Wu表示，如果数据中心能够通过燃料电池自给自足地发电，将氢气和其他燃料直接转化为电能，就能减轻电网负担。

燃料电池的原理是在催化剂帮助下，将氢和氧结合生成电能、水和热。催化剂能加速反应、减少能量损失，并提高整体性能和长期耐久性。当前难点在于催化剂设计，现有材料的活性和耐久性尚不足以实现性能目标。

铂金是理想的催化剂材料，但属于贵金属，目标是在不影响催化性能的前提下尽可能减少其用量。将铂金制成纳米颗粒可大幅增加暴露表面积，用量通常可低于每平方厘米四分之一毫克。但在燃料电池运行过程中，纳米颗粒可能溶解、迁移并长大，导致性能逐渐下降。

新兴的铂基金属间催化剂在催化活性和稳定性方面比传统铂合金更有前景。为保持纳米颗粒良好分散并最大化铂的利用率，目前多数催化剂在低于700°C的温度下退火合成。然而，这一温度不足以推动完全的原子有序-无序转变，而该转变对提高金属间催化剂的活性和稳定性至关重要。

Wu团队开发的新型纳米结构碳——中空多孔碳球、有序径向纳米通道以及大孔隙率和比表面积——解决了上述难题。这种独特的碳材料能在高温下形成高密度、良好分散的铂钴金属间纳米颗粒，同时保持纳米颗粒均匀分散，从而克服了原子有序度与颗粒分布均匀性之间的两难。

研究团队将铂钴催化剂加热到1000°C，足以形成高度有序结构，同时保持纳米颗粒小于5纳米且分布均匀，即使在工业界偏好的高铂含量下也是如此。该载体在15万次电压循环后仍保持85%的性能，约相当于2.5万小时运行时间。而通常合成较大颗粒时，会以牺牲活性为代价换取稳定性；其他提高稳定性的努力则常损失活性。这种碳载体凭借更大的孔隙、有序的孔径和巨大的比表面积，克服了活性与稳定性之间的权衡。

Wu解释，开放的通道结构有助于含离子材料（如离聚物）均匀分布，并促进质子、氧气和水在电极中的传输。嵌入该载体的铂钴纳米颗粒因而表现出较好的性能和长期耐久性。Wu已通过华盛顿大学技术管理办公室为这项技术申请专利。他表示，随着进一步开发和行业合作，有望解决催化剂剩余的挑战，并推进燃料电池技术更高效、更可持续地应用。