在全球碳中和目标的推动下，氢燃料电池作为高效、清洁的能源转换技术，正成为新能源领域的研究热点。

氢燃料电池通过氢与氧的电化学反应产生电能，其核心反应——氧还原反应(ORR)的效率与稳定性，直接决定了

电池的性能与寿命。目前，商业化燃料电池普遍采用铂(Pt)基合金催化剂，但Pt资源稀缺、成本高昂，且其ORR

活性与耐久性仍需提升，成为制约氢燃料电池大规模应用的关键瓶颈。

　　为突破这一困境，本文聚焦于新型合金催化剂的研发，旨在通过材料设计与结构调控，实现ORR活性与耐久

性的双重突破。

　　01研究背景与目标体系

　　1.1核心挑战：

　　ORR活性与耐久性的双重需求

　　燃料电池阴极的ORR反应动力学缓慢，需要高效催化剂加速反应；同时，长期运行中催化剂易因Pt溶解、团聚

及载体腐蚀导致性能衰减。现有Pt合金催化剂虽已商业化，但其质量活性(单位质量Pt的催化活性)与耐久性仍难以

满足大规模应用的成本与寿命要求。

　　例如，2019年规格的商业MEA(膜电极组件)中，Pt担载量高达50wt%，但Co固溶度仅约0.25，规则化程度低，

限制了性能提升空间。

　　基于此，本研究将核心目标锁定为：通过合金规则化、形态控制及载体优化，开发具有高ORR活性、高耐久性的

新型Pt基合金催化剂，降低Pt用量，推动燃料电池实用化。

　　1.2目标体系：

　　从基础研究到实用化的分阶段规划

　　为实现最终目标，本研究制定了清晰的分阶段目标，涵盖材料设计、性能验证与工程化技术开发，形成“基础

研究—中试验证—实用化”的全链条布局：

　　最终目标：开发多孔质碳担载规则合金Co-Pt壳层催化剂，通过碘化物特异性吸附控制技术与载体结构调控，

实现0.84V@0.2A/cm²条件下与现有Pt合金催化剂同等以上的耐久性，并较2019年规格商业MEA提升70mV电压。

　　中间目标1(2020-2022年)：聚焦Pt壳层材料设计，通过旋转圆盘电极(RDE)验证超单分散非平衡相Co-Pt壳

层的质量活性(较现有Pt合金催化剂提升10倍以上)，提取关键设计参数，并分析膜电极组件(MEA)化过程中的潜

在问题。

　　中间目标2(2023-2024年)：确立非平衡相Co-Pt壳层的框架结构与MEA化技术，通过多孔质碳载体利用、Pt

壳层异方性应变调控及碘化物特异性吸附控制，实现催化剂性能的稳定提升与劣化抑制。

　　02显著成果：

　　L10型Pt基规则合金的材料突破

　　本研究以L10型规则合金为核心研究对象(L10型为面心四方结构，具有高度有序的原子排列)，通过三元合金设

计、规则化度调控及载体优化，在材料结构与催化性能关联方面取得了一系列突破性进展。

　　2.1 L10-PtCo/MPC的规则化度

　　调控与性能关联

　　规则化度(原子有序排列的比例)是影响L10型合金性能的关键参数。研究团队制备了规则化度分别为20%、40%、

50%的L10-PtCo/MPC(MPC为多孔碳载体)催化剂，并系统表征其理化性质(如表1所示)。

　　表1.不同规则化度L10-PtCo/MPC

　　与2019年商业MEA的理化参数对比

　　从表1可见，与2019年商业MEA相比，L10-PtCo/MPC系列催化剂的Pt担载量降低(44wt%左右)，Co固溶度提升

(0.30-0.35)，且规则化度可通过制备工艺精确调控。值得注意的是，规则化度为50%的样品中，Co固溶度达0.35，结

晶子径增至5.5nm，表明高规则化度可能促进Co原子的稳定固溶与晶粒生长。

　　2.2三元L10型Pt基合金的

　　晶格参数优化

　　为进一步提升性能，研究团队拓展至三元合金体系(Pt₂A₁B₁)，通过调整第二、第三金属元素(A、B为Fe、Co、Ni、

Mn、Mo、Ru、Zn等)，优化晶格参数以匹配ORR反应需求。表2列出了典型三元合金与二元合金、纯Pt的晶格参数对比(a、

c为晶格常数，V为晶胞体积)。

　　表2.L10型三元Pt基合金

　　与对比材料的晶格参数

　　ORR活性与晶格参数密切相关：过小的晶胞体积会导致Pt原子间距过短，增强对反应中间体(如OH*)的吸附，抑制活性；

过大则吸附过弱，同样降低反应效率。从表2可知，三元合金的晶格参数可通过元素组合灵活调控：例如，Pt₂Co₁Ni₁的晶胞

体积(53.5ų)与二元PtCo(53.0ų)接近，而Pt₂Ni₁Zn₁通过Zn的引入，在维持c轴较短(3.61Å)的同时增大a轴(3.93Å)，实现

了对中间体吸附能的优化。

　　计算化学进一步验证了这一规律：通过L10-Pt₂A₁B₁@Pt(2原子层壳层)的ORR活性火山图(如图1所示)，发现当ΔGOH(催

化剂对OH*的吸附自由能与纯Pt的差值)在0.15-0.25eV区间时，ORR活性达到峰值。其中，Pt₂Mn₁Co₁与Pt₂Ni₁Zn₁的ΔGOH

落在最优区间，理论活性显著高于传统二元合金。

　　图1.L10-Pt₂A₁B₁@Pt(2原子层壳层)系的

　　ORR活性火山图

　　2.3电化学性能与耐久性测试

　　研究团队通过加速耐久性测试(ADT，20k循环)评估了L10型合金的稳定性，并分析了规则化度对性能的影响。

　　ORR活性：在RDE测试中，L10-PtCo/MPC的质量活性随规则化度提升无显著变化(20%、40%、50%规则化度样品的

初始质量活性均维持在800-900A/gPt)，但较2019年商业MEA(约200A/gPt)提升4倍以上，验证了规则合金的高活性潜力。

　　耐久性：20kADT循环后，规则化度50%的样品电化学活性表面积(ECSA)维持率达65%，显著高于20%规则化度样品(40%)，

表明**高规则化度可有效抑制Pt溶解与晶粒团聚**，提升催化剂稳定性。

　　03MEA化验证：

　　从材料到器件的性能转化

　　催化剂的实际应用需通过MEA化验证(MEA为燃料电池的核心组件，由催化剂层、质子交换膜及气体扩散层组成)。研究团队以

36cm²单电池为测试平台，系统评估了L10型合金的MEA初始特性与耐久性。

　　3.1MEA初始特性：

　　电压提升与活性验证

　　测试条件：80℃、100%相对湿度(RH)、H₂/Air氛围、0kPa-G压力。结果显示，基于L10-PtCo/MPC(50%规则化度)的MEA

在0.2A/cm²电流密度下的电压达0.84V，较2019年商业MEA(0.77V)提升70mV，验证了材料在器件层面的高活性潜力。

　　电压提升的核心原因包括：(1)高规则化度抑制了Co的溶出，维持了Pt壳层的完整性；(2)多孔质碳载体(MPC)的高比表面积增强

了Pt的分散性，提升了活性位点利用率；(3)三元合金的晶格参数优化降低了ORR反应能垒。

　　3.2MEA耐久性：

　　规则化度与运行条件的影响

　　为模拟实际应用场景，研究团队对比了“内部评价”与“PF评价”(第三方标准评价)的耐久性差异，测试条件如表3所示。

　　表3.MEA耐久性评价条件对比

　　结果显示，两种评价体系下，规则化度与耐久性的关联趋势一致：规则化度50%的样品在10k循环后电压衰减率(15%)显著

低于20%规则化度样品(28%)。此外，内部评价中高湿度(100%RH)环境下，催化剂的水管理更稳定，衰减率整体低于PF评价

(75%RH)，表明载体的疏水-亲水平衡需进一步优化以适应不同运行条件。

　　04实用化挑战与未来展望

　　4.1

　　核心课题：

　　性能参数的协同优化

　　尽管研究已取得阶段性突破，但实现“高ORR比活性、高ECSA、高耐久性”的同时达标仍面临挑战：

　　活性与稳定性的权衡：高规则化度可提升耐久性，但可能导致晶粒增大，降低ECSA(活性位点数量)；而超小晶粒虽能提升

ECSA，却易因表面能过高发生团聚。

　　MEA化的工程瓶颈：催化剂与质子交换膜的界面接触电阻、气体扩散层的传质效率，以及MEA制备过程中Pt的分散均匀性，

均会影响实际性能发挥。

　　4.2

　　解决方案：

　　多元元素协同调控

　　研究团队提出了针对性优化策略：

　　Zn添加：少量Zn(10%)的引入可在不增大晶格常数(维持ORR活性)的前提下，提升规则化度(如L10-Pt₅Co₄Zn₁/C的规则化

度达71.5%)，同时抑制Pt溶解，实现ECSA与耐久性的协同提升。

　　Co&Ni复合添加：Pt₂Co₁Ni₁的晶胞体积(53.5ų)接近最优值，且Co与Ni的协同作用可降低Pt的表面能，抑制团聚。

　　Pt壳层厚度调控：2原子层的Pt壳层(覆盖于L10型合金核心表面)既能最大化Pt利用率，又能通过核心合金的应变效应

优化ORR活性。

　　4.3实用化时间表与产业化路径

　　根据项目规划，研究团队制定了清晰的产业化推进路线：2024年完成催化剂中试制备工艺开发，2025-2026年优化MEA规

模化生产技术，2028-2030年实现催化剂与MEA的商业化应用(Pt用量降至0.1g/kW以下，寿命突破10,000小时)。