材料学院程年才课题组在顶级期刊AM和AFM期刊上发表重要研究成果-材料科学与工程学院

材料学院程年才课题组在顶级期刊AM和AFM期刊上发表重要研究成果

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发布时间：: 2025-06-30
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近日，福州大学材料科学与工程学院材料表界面研究所程年才教授课题组在氧还原催化剂材料研究方面取得重要进展。相关成果以题为“Highly Defective Ultrafine Carbon Nanoreactors Enriched with Edge-Type Zn-N3P1 Moiety Boosting Oxygen Electrocatalysis”以及“Atomically Dispersed Pt-Nx and Ce-Nx Dual Sites Enhance PtCe Nanoparticles for Oxygen Reduction Reaction”的两篇研究论文，分别发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》（影响因子27.4，中科院一区）和《Advanced Functional Materials》（影响因子18.5，中科院一区）上。

一、Highly Defective Ultrafine Carbon Nanoreactors Enriched with Edge-Type Zn-N3P1 Moiety Boosting Oxygen Electrocatalysis

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氧还原反应（ORR）是阴离子交换膜燃料电池和锌空气电池等电化学能量转换系统的关键瓶颈。恶劣的酸碱环境、高的O=O键裂解能（498 kJ mol^-1）和缓慢的四电子动力学对ORR催化剂的高活性、耐用性和低成本提出了更高的要求。近年来，以Fe-N-C为代表的高活性过渡金属-碳催化剂（M-N-C）为构建低成本的氧催化储能装置提供了机会。然而，它们在长程充放电过程中易引发芬顿反应和严重的离聚体降解，破坏催化耐久性，且ORR活性仍受到可及活性位点不足的限制。重要的，对此类催化剂的尺寸依赖的结构-性能关系的基本理解仍然难以捉摸。

基于此，该工作设计了一种以介孔为主的富边缘缺陷原子Zn位点的碳纳米反应器ORR催化剂。这种碳纳米反应器的晶体大小（15-43 nm）和孔径（2.1-4.7nm）可以精确调节，从而实现可调的质量扩散途径和孔隙率。其中，25nm纳米反应器的疏水性最大限度地发挥了活性位点暴露和三相界面快速氧传质的非动力学优势。所制备的Zn-N-P/NPC催化剂具有优异的碱性和酸性ORR性能，半波电位分别为0.92和0.80 V，且组装的锌-空气电池在20 mA cm^-2下可稳定充放电超过400 h。

我院18级博士生谭洋洋为该论文第一作者，福州大学材料科学与工程学院为第一单位，论文通讯作者为程年才教授。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202503254.

二、Atomically Dispersed Pt-Nx and Ce-Nx Dual Sites Enhance PtCe Nanoparticles for Oxygen Reduction Reaction

尽管质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为一种高效且环保的替代能源转换技术具有巨大潜力，但其阴极ORR的缓慢动力学限制了实际应用。近年来，研究集中在Pt基催化剂上以加速ORR动力学并提高燃料电池效率。然而，贵金属Pt的高成本（占燃料电池堆总成本的近一半）仍然阻碍了PEMFCs的广泛应用。因此，开发具有优异性能和低Pt负载的ORR催化剂至关重要。

将Pt与3d过渡金属（TM）合金化是一种广泛探索的策略，旨在实现ORR的高活性和低Pt含量。然而，由于TM在PEMFCs苛刻的电化学条件下易溶解，同时实现高活性和稳定性仍具挑战性。另一种方法是将Pt与稀土（RE）元素合金化（Pt-RE），由于Pt-RE合金的形成能垒较低，RE原子从合金内部迁移至表面的阻力更大，从而显著提高了稳定性。此外，RE元素具有独特的电子结构和灵活的价态，可调控Pt的电子性质并增强催化活性。尽管RE金属不易溶解，但Pt-RE合金在溶解过程中会形成富Pt表层，进一步提高了长期稳定性。然而，高效Pt-RE合金催化剂的精确合成仍具挑战性，且很少有研究关注进一步强化Pt-RE合金的机制。

传统的单位点机制表明，多步质子耦合电子转移的四电子ORR过程涉及多种中间体，包括*O2、*OOH、*O和*OH。这些中间体的结合能相互依赖，受比例关系制约，因此难以独立优化每个中间体的结合能，这为进一步提升ORR性能带来了重大挑战。因此，精确设计Pt-RE催化剂以打破Pt-RE合金固有的线性反应路径，对推动燃料电池技术发展至关重要。

该研究设计了一种由超小Pt-Ce合金纳米颗粒与均匀分散的Pt-Nx和Ce-Nx双位点组成的复合电催化剂Pt-Ce-N-C，用于高效ORR。该催化剂表现出卓越的ORR性能，其质量活性（MA）达到1.17 A mg_Pt^-1，是商业Pt/C的7倍。此外，在30,000次加速耐久性测试（ADT）循环后，其性能衰减微乎其微。在H₂/Air PEMFC测试中，Pt-Ce-N-C的峰值功率密度为1.229 W cm^-2（是Pt/C的两倍），且在30,000次ADT循环后仍能保持87.9%的性能（1.08 W cm^-2）。通过结合理论分析与实验数据，研究人员发现Ce位点凭借其强氧亲和力主要作为反应物的吸附中心，而Pt-Ce合金和Pt-Nx位点则作为ORR的高效反应中心。这种合金与双位点结构的协同作用显著提升了催化活性和耐久性。

我院22级硕士生肖勇和2021级博士生王子辰为该论文第一作者，福州大学材料科学与工程学院为第一单位，论文通讯作者为程年才教授。

论文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202505593