广西大学田植群团队：碳化硼掺杂石墨烯构建强金属载体相互作用，突破超低铂燃料电池活性 – 耐久性瓶颈

研究背景

随着全球能源需求持续增长、温室排放与环境污染问题日益严峻，开发低碳清洁能源转化技术已经成为全球科研领域的核心热点。质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借高能量转换效率、工作零排放的突出优势，是氢能交通、分布式发电最具产业化前景的动力设备。其中，电池整体性能高度依赖阴极氧还原反应（ORR）的催化效率，目前商用体系完全依赖贵金属铂基催化剂。但铂储量稀少、开采制备成本高昂，大幅抬高了燃料电池成本，严重阻碍其大规模普及。因此，将阴极铂载量从现有 0.2–0.4 mg cm-2 降至 0.1mg cm-2 以下是推进氢能商业化落地的关键。但大幅降低铂用量后，电池会出现氧气传质阻力飙升、铂颗粒溶解粗化两大致命问题，活性与寿命快速衰减。因此，开发高质量活性，高稳定性的铂基催化剂成为了研究重点。然而，当下主流优化路线各有短板：铂基合金长循环易发生过渡金属溶出、结构坍塌；氮掺杂碳载体在启停高电位下极易氧化腐蚀；传统硼酸法制备硼掺杂石墨烯生成大量含氧缺陷，碳骨架石墨化度低、抗腐蚀能力弱。因此，如何同步实现高催化活性、铂长效稳定、碳载体耐氧化三重性能，仍是超低铂燃料电池领域亟待攻克的关键难题。

在全球能源需求持续攀升、温室气体排放加剧与生态环境污染日趋严峻的双重背景下，研发低碳、高效、清洁的能源转化技术，已成为全球能源材料领域的核心研究方向。质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借能量转换效率高、运行过程零碳排放等独特优势，是氢能交通运输、分布式发电领域最具产业化潜力的新型动力装置。

PEMFC的整体输出性能与服役寿命高度取决于阴极氧还原反应（ORR）的催化效率，当前商业化燃料电池体系均以贵金属铂基催化剂为核心催化材料。但金属铂天然储量稀缺、极大推高了燃料电池的整机造价，成为制约氢能燃料电池规模化推广与产业化落地的核心瓶颈。因此，将燃料电池阴极铂载量由当前商用的0.2–0.4 mg·cm⁻²降至0.1 mg·cm⁻²以下，是实现氢能燃料电池低成本、规模化商用的核心突破口。

然而，大幅降低铂基催化剂载量会引发两大关键技术难题：一方面，电极内部氧气传质阻力大幅提升，气体传输效率显著下降；另一方面，低载量铂颗粒易发生溶解、迁移与粗化团聚，最终导致催化剂活性衰减、电池服役寿命大幅缩短。因此，开发兼具高催化活性与长循环稳定性的新型铂基催化剂，是超低铂燃料电池领域的核心研究重点。

文章简介

本工作通过电弧放电法制备碳化硼掺杂三维多孔石墨烯（PBG-B4C）一体化电极骨架，借助强电子金属-载体相互作用，构建出适用于超低铂载量工况的高性能 PEMFC 阴极催化层。本研究采用碳化硼前驱体填充石墨棒作为电弧制备的阳极，可制备仅含 B4C、BC3两类稳定硼掺杂构型的石墨烯，相较于硼酸前驱体合成的含氧硼掺杂石墨烯、纯石墨烯，该材料拥有更高石墨化程度，同时在硼位点周围生成大量缺电子锚定位点。另外，利用等离子增强原子层沉积工艺可在 PBG-B4C 表面均匀负载平均粒径仅 4.6 nm 的铂纳米颗粒，显著优于硼酸掺杂石墨烯（5.62 nm）与纯石墨烯载体（8.01 nm）的铂分散效果。单电池测试结果表明，在 47.5 μgPt cm-2 超低铂载量、H2/Air 实际工作条件下，该催化层组装电池峰值功率密度可达 1.12 W・cm-2，相较于同等低铂载量纯石墨烯阴极提升 47%，相比商用 200 μgPt cm-2 Pt/C 提升了 38%。两套 DOE 标准加速老化测试验证其优异双重耐久性能：30000 圈 0.6–0.95 V 铂稳定性循环后电压仅衰减 21 mV，5000 圈 1.0–1.5 V 高电位碳腐蚀循环后电压仅损失 23 mV，全部达到美国能源部 2025 技术指标。DFT 理论计算分析表明，Pt 的 dx2、dz2 轨道可与 B 的 px、py轨道发生强杂化，有效下移 Pt d 带中心、适度弱化 ORR 中间体吸附；同时 B4C、BC3构型碳空位形成能更高，同步提升催化动力学与碳骨架抗腐蚀能力。这项工作不仅提出了碳化硼掺杂石墨烯调控电子型金属-载体相互作用的改性策略，还系统验证了该体系可同步兼顾铂催化活性、铂颗粒循环稳定性与碳载体耐腐蚀性，为设计超低铂质子交换膜燃料电池催化层提供了新的解决方案。

结论

本工作采用电弧放电工艺制备高石墨化 B4C、BC3双掺杂三维多孔石墨烯作为一体化阴极载体，依托独特硼掺杂结构生成大量缺电子位点，借助原子层沉积实现 4.6 nm 超小铂颗粒均匀分散；Pt 与硼之间的强轨道杂化形成独特电子金属-载体相互作用，精准调控铂 d 带中心，显著提升氧还原催化活性。同时高石墨化碳骨架具备优异抗氧化腐蚀能力，强键合作用可有效抑制铂溶解、颗粒团聚，器件耐久性能全部达到美国能源部 2025 技术指标。在 47.5 μgPt cm-2 超低铂载量条件下，H2/Air 单电池峰值功率密度达到 1.12 W・cm-2，较商用高铂 Pt/C 提升 38%。该研究为破解超低铂燃料电池催化活性、铂稳定性、碳载体抗腐蚀三者难以兼顾的痛点问题，提供了新的借鉴，为下一代低成本、长寿命质子交换膜燃料电池催化层提供全新设计思路。

图1. 三维多孔石墨烯薄膜的制备流程图

文章信息

碳化硼掺杂石墨烯负载铂纳米颗粒具有强电子金属-载体相互作用，用于高效超低铂载量质子交换膜燃料电池

第一作者：谭承富

通讯作者：田植群

单位：广西大学可持续能源材料协同创新中心、物理科学与技术学院，广西电化学能源材料重点实验室，特色金属材料与复合材料全生命周期安全国家重点实验室。