寿命超过200000小时，黄昱最新Nature Nanotechnology！

米测MeLab

2025-03-28

研究背景

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其高效、清洁等特点，被广泛应用于轻型车辆（LDVs）、中型商用车及重型商用车（HDVs）等领域。与传统的动力电池相比，PEMFCs在中型及重型车辆中具有更少的重量惩罚和更好的可扩展性。然而，PEMFCs在HDV应用中的特殊操作条件，如较长的行驶距离和较高的燃料消耗，带来了更加严苛的耐久性和效率要求。因此，如何提高燃料电池的耐久性和效率成为当前亟待解决的关键问题。

为此，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的黄昱教授、段镶锋教授等人在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications”的最新论文。该团队设计并制备了一种新型的超细铂（Pt）催化剂，其表面通过石墨烯纳米囊保护，且负载在Ketjenblack碳上（Pt@Gnp/KB）。通过这种新型催化剂，显著提高了燃料电池的初始质量活性和耐久性。具体而言，所制备的膜电极组件（MEA）在初始质量活性为0.74 A·mgPt^–1、额定功率密度为1.08 W·cm^–2的同时，在经过90,000个加速老化测试（AST）周期后，额定功率损失仅为1.1%。这一表现超过了当前燃料电池公交车的状况，并远远超出了DOE在HDV应用中的终极目标。

该研究成功解决了在高电流密度（HCD）区域和低电流密度（LCD）区域都能保持较高催化活性的问题，并展现出极具前景的耐久性，预计该燃料电池的使用寿命可达到218,000小时，效率达到72%左右。该研究成果不仅推动了PEMFCs技术的进一步应用，也为重型燃料电池车的长效性和高效率提供了重要的技术支持。

研究亮点

（1）实验首次采用超细纯Pt催化剂，表面通过石墨烯纳米囊保护，并支撑在Ketjenblack碳载体上，开发了一种新型高耐久性氧还原反应电催化剂（Pt@Gnp/KB）。

（2）实验通过在MEA中使用该Pt@Gnp/KB纳米催化剂，展示了其较高的初始质量活性（MA）为0.74 A mgPt^–1，额定功率密度为1.08 W cm^–2，表明该催化剂在初始性能上具有优异表现。

（3）通过长时间的耐久性测试，经过90,000个方波循环后，该MEA的额定功率损失仅为1.1%，表明该催化剂在整个操作区域内展现出卓越的耐久性，远超现有燃料电池的表现。

（4）该催化剂在耐久性和效率方面的卓越表现使其使用寿命预测超过218,000小时，且效率达到72%，满足并超越了美国能源部（DOE）2050年针对重型车辆（HDV）的燃料电池性能目标。

图文解读

图1：催化剂的总体性能演示和结构特征

图2：燃料电池性能评估

图3.  燃料电池效率和寿命预测。

图4. EOL催化剂的表征、粒度分布分析及相应的MEA测试结果。

总结展望

这项工作报告了一种高度孔隙限域且表面保护的铂纳米催化剂，该催化剂在重型车辆（HDV）应用中表现出卓越的耐久性。令人印象深刻的是，研究者设计的催化剂在经过包含90,000次方波循环的激进加速老化测试（AST）后，仍能同时提供1.08 W·cm^–2的高功率密度和98.9%的前所未有的功率保持率。

凭借这种高功率稳定性，研究者预计燃料电池的寿命将突破20万小时，是DOE 2050年重型车辆终极目标的七倍以上，基于每个循环仅0.054μV的电压损失率。卓越的催化剂耐久性可归因于高程度的孔隙限域效应和可接近的石墨烯层的保护作用。除了大大减少铂的溶解和颗粒尺寸的增长外，保护性石墨烯层还有效缓解了电解质中毒效应，这使得催化剂在超过40%的ECSA损失下仍能保持87.8%的质量活性（MA）保持率，并实现了0.74 A·mgPt–1的出色MA。最终，燃料电池的效率达到了令人满意的71.9%。尽管燃料电池技术的推广面临耐久性和效率这两大持续瓶颈，但研究者的催化剂具有巨大的潜力，可以提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）的商业可行性，特别是在重型应用领域。

原文详情：

Liu, Z., Peng, B., Tsai, YH.J. et al. Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications. Nat. Nanotechnol. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41565-025-01895-3