ACS Catalysis：异相体系中的非铂族分子电催化剂：通过掺入离子聚合物粘合剂提高活性位点密度

云深

2026-09-02

全文概要

美国劳伦斯伯克利国家实验室的Adam Z. Weber等研究团队报道了一种将分子催化剂（CoTMPyP）分子级分散于高离子交换容量离聚物薄膜中的三维多孔电极架构，用于燃料电池阴极氧还原反应。该策略通过分子催化剂与全氟磺酸离聚物之间的强静电相互作用实现催化剂固载，并借助电子中介体（羟甲基二茂铁）促进电子传导。在膜电极组件测试中，CoTMPyP 基催化剂在摩尔负载量相当条件下获得与商业 Pt/C 相当的最大电流密度（~1.28 A/cm²），且 25 小时内无性能衰减。傅里叶变换红外光谱证实催化剂在离聚物中保持溶剂化、均匀分散并发生强相互作用，数学模型分析表明该电极构型未出现显著传质限制，为设计实用型非铂族金属催化剂提供了新方向。

本文要点

1. 电极架构设计：将水溶性 CoTMPyP 分子催化剂通过带正电荷的吡啶基团与带负电荷的 PFSA 离聚物磺酸基团发生强静电作用，固载于离聚物簇内，形成三维分子级分散催化层，显著提高单位体积活性位点密度。

2. 电子传导策略：引入羟甲基二茂铁作为电子中介体，通过其在氧化还原聚合物层中的扩散和电子跳跃，将电子从碳载体传递至催化剂金属中心，缓解了分子催化剂直接电子转移缓慢的问题。

3. 催化性能：在 H₂/O₂ 单电池测试中，CoTMPyP 阴极（催化剂负载量 0.67–1.34 mg_cat/cm²）最大电流密度约 1.28 A/cm²，与商业 Pt/C（0.25 mg_Pt/cm²）相当。iR 校正极化曲线显示该分子催化电极未出现明显传质限制，而 Pt/C 电极在约 1 A/cm² 处出现传质极化。

4. 稳定性与相互作用表征：25 小时恒电流测试（0.1 A/cm² 10 h 后 0.2 A/cm² 15 h）中性能无显著衰减，电化学阻抗谱响应几乎不变。FTIR 显示 CoTMPyP 的 C–C/C–N 特征峰蓝移 7–10 cm⁻¹，离聚物 S–O 峰红移 3–6 cm⁻¹，证实催化剂与离聚物间存在强静电相互作用，且 FTIR 显微 mapping 表明催化剂在离聚物中均匀分布。

5. 模型指导优化：多物理场模型分析表明，当前性能主要受限于催化剂本征反应速率和中介体氧化还原电位，而非质子、氧气或电子传输。模型预测：提高中介体电位和反应速率可使电流密度提升数倍，为该类电极的进一步优化指明方向。

文献详情

Xiaobing Zhu, Qinggang He, Gisuk Hwang, Zulima Martin, Kyle T. Clark, Nana Zhao, Adam Z. Weber,* and John B. Kerr. Molecular Non-Platinum-Group Electrocatalysts in a Heterogeneous World: Increasing Site Density through Incorporation in Ionomer Binders. ACS Catal. 2026, DOI: 10.1021/acscatal.6c05008

全文链接

https://doi.org/10.1021/acscatal.6c05008