16倍活性+分钟级制备！绿氢行业这次真的踩中了加速键
发布日期：2026/7/16
氢燃料电池汽车一直被视为交通“零排放”转型的重要方向。而它的“心脏”，就是能将氢气和空气中的氧气转化为电能、只排放水的燃料电池。
然而，这颗“心脏”的“起搏器”却贵比黄金。氢燃料电池依赖的核心材料——铂族金属催化剂，一直是制约氢能产业大规模发展的瓶颈。
近日，天津大学胡文彬教授团队与合作者在《科学》杂志上共同发表的一项突破性成果，为这个“卡脖子”难题提供了一套全新的解题思路。
研究团队不仅将需要花费数小时才能完成的传统制备流程缩短至数分钟，还将单位质量催化剂合成所需能耗降低了90%。
而且，该研究团队开发出的新型催化剂性能大幅提升，质量活性达到商业铂碳催化剂的16倍，预估寿命更是超过5.6万小时，远超美国能源部提出的5000小时目标。
图说：天津大学材料科学与工程学院教授胡文彬（右）与学生在天津大学实验室做实验来源：新华社
要理解这项突破的意义，首先要明白铂族催化剂在氢燃料电池中的角色。
在燃料电池内部，氢气在阳极失去电子，氧气则在阴极得到电子，从而产生电流。这个得到电子的过程，被称为氧还原反应（ORR），直接和电池效率挂钩。
为了让这个反应又快又好地发生，就需要催化剂的帮助。
目前，性能最好的催化剂就是铂（Pt）。但铂是稀有贵金属，资源匮乏，我国每年85%以上的铂族金属需求依赖进口，这一瓶颈导致该类战略金属价格成本居高不下。
来源：MarketBeat
于是，科学界的共同目标是：如何用最少的铂，激发最大的催化活性？
一种主流思路是构建“核壳结构”——用廉价的过渡金属（如铁、钴）做内核，外面仅包裹几个原子层厚的铂作为“外壳”。
这样一来，绝大多数昂贵的铂都“好钢用在刀刃上”，充当催化反应的“门面”。
然而，这种方法也存在一定缺陷——这种核壳结构催化剂的合成需要赖长时间的高温退火，让原子在热力学驱动下慢慢“爬”到正确的位置，过程繁琐、能耗极高。
更关键的是，这种方式的精度控制很差，铂壳的厚度往往厚薄不均。这就导致太厚容易浪费铂，太薄了则内核元素会渗透出来“毒化”表皮，降低活性。
这道长期存在的技术难关，正是制约催化剂效能与应用的“卡口”。
来源：新华社
天津大学胡文彬教授团队与合作者提出的“瞬态组装”（Transient Assembly, TA）策略，从根本上改变了这一合成范式。
该策略的核心是一套自主研发的毫秒级周期热脉冲技术——以高达每秒数千摄氏度的升温速率施加短暂的热脉冲，在数秒内完成催化剂的合成，而非传统方法所需的数小时。
以铂-铁（Pt-Fe）体系为例，研究团队将Pt与Fe原子比为1:1.5的前驱体置于碳基底上，施加以1400°C/s升温速率、峰值温度900°C、每次持续约0.15秒的周期性热脉冲，累计20次。整个过程中，纳米晶在峰值温度下的累计停留时间仅约3秒。
这一过程的关键物理机制在于“过热效应”（superheating effect）。在高能状态下，原子扩散的能垒被有效降低，原子重新排列的驱动力显著增强。
通过控制第一道热脉冲的加热速率，研究人员可以可以精确控制铁的损失量，从而连续、精准地调控最终铂皮的厚度，甚至能精确到1到6个原子层。
图说：新型催化剂的微观结构来源：DOI：10.1126/science.aeg2036
经过优化，他们发现三层原子厚的铂皮（Pt₃L@PtFe-i）综合性能最佳。这种新型催化剂在多个关键性能指标上，都实现了重要突破。
首先是催化效率产生了质的飞跃。新型催化剂氧还原反应的质量活性是普通商业铂碳催化剂的16倍，活性飙升。
同时，这种新型催化剂还极其耐用。在半电池测试中，经过10万次加速耐久性循环后，其性能衰减几乎可以忽略不计。
在实际的燃料电池中，经过3万次循环，峰值功率损失仅为3.2%。研究团队基于电压衰减速率估算的催化剂寿命约为56,000小时，超过美国能源部5,000小时目标的十倍以上。
图说：(H) 3万次循环后新型催化剂与商业铂碳催化剂峰值功率对比；(I) 新型催化剂综合性能对比美国能源部（DOE）目标来源：DOI：10.1126/science.aeg2036
“瞬态组装”策略的成功，其意义远不止于“更快”和“更省”。
首先，它打通了“降本增效”的关卡。它将传统数小时的制备流程缩短至数分钟，单位质量催化剂的能耗降低了90%。这直接让高性能铂族催化剂的规模化、低成本生产成为可能。
其次，它验证了一种全新的材料合成范式，为未来合成其他传统热力学方法难以获得的复杂结构纳米材料，开辟了全新的想象空间。
在适用范围上，该方法已成功拓展至包含11种过渡金属、5种贵金属等多种多元体系。
正如该论文的通讯作者胡文彬教授所言，这项技术不仅为我国绿色氢能等战略产业提供了强有力的技术支撑，其应用前景更将拓展至高端化工、环境催化、精细化学品合成等依赖高性能催化剂的重要领域。
来源：环球零碳 作者：Bell
