氫能源汽車加速普及的當(dāng)下，燃料電池核心材料鉑（Pt）卻成了“攔路虎”——每輛車的鉑用量高達(dá)30克，成本占比超40%。近日，上海大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《Frontiers in Energy》發(fā)表綜述論文，系統(tǒng)解析了鉑基單原子催化劑在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中的突破性進(jìn)展：通過將鉑原子“拆解”成單個(gè)原子分散在載體上，催化劑質(zhì)量活性達(dá)到商業(yè)鉑碳材料的5.3倍，鉑用量可降低90%，為氫能大規(guī)模應(yīng)用掃清關(guān)鍵障礙。

鉑催化劑之痛：貴金屬“用不起”，性能“撐不住”

燃料電池通過氫氧反應(yīng)發(fā)電，其中陰極的氧還原反應(yīng)（ORR）如同“呼吸系統(tǒng)的咽喉”，需要鉑催化劑加速反應(yīng)。但傳統(tǒng)鉑碳催化劑存在致命缺陷——鉑納米顆粒易團(tuán)聚脫落，導(dǎo)致活性下降；酸性環(huán)境和高電壓下，載體碳材料還會(huì)被腐蝕，造成鉑顆粒流失。數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有燃料電池鉑催化劑成本占比超40%，且壽命僅5000小時(shí)，難以滿足乘用車需求。

“這就像用黃金造螺絲釘，既昂貴又易損耗。”論文通訊作者張世明教授比喻道。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，單原子催化劑將鉑以原子級(jí)分散在載體上，既能實(shí)現(xiàn)“一個(gè)鉑原子頂十個(gè)納米顆粒”的極致效率，又能通過強(qiáng)金屬-載體相互作用（類似“原子級(jí)鉚釘”）提升穩(wěn)定性。

技術(shù)突破：從“鉑合金”到“單原子鉑”的三級(jí)跳

傳統(tǒng)優(yōu)化路徑聚焦鉑合金和納米結(jié)構(gòu)調(diào)控。例如，鉑與鐵、鈷等廉價(jià)金屬合金化，可調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)提升活性；將鉑納米顆粒做成線狀、籠狀結(jié)構(gòu)，能暴露更多活性位點(diǎn)。但這類方法鉑用量仍高達(dá)0.2-0.4 mg/cm2，且高溫下金屬易偏析導(dǎo)致性能衰減。

單原子催化劑的出現(xiàn)改寫了游戲規(guī)則。研究顯示，當(dāng)鉑以孤立原子形式錨定在氮摻雜碳載體上時(shí)，形成的Pt-N4活性中心（如圖1）可將氧還原路徑鎖定為高效4電子反應(yīng)，避免生成腐蝕性過氧化氫。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，單原子催化劑質(zhì)量活性達(dá)3.86 A/mgPt，是商業(yè)鉑碳材料的5倍以上，且在6萬次循環(huán)后性能僅衰減35.7%。

更巧妙的是“雙原子協(xié)同”設(shè)計(jì)。例如，將鉑原子與鐵原子配對(duì)（如圖2），鐵原子通過電子效應(yīng)“遙控”鉑的d軌道能級(jí)，使氧氣分子更易吸附和解離。這種“原子二人轉(zhuǎn)”策略讓催化劑在酸性環(huán)境中穩(wěn)定性提升200%，且鉑負(fù)載量低至0.02 mg/cm2。

產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)：如何讓“單原子”不再“孤單”？

盡管實(shí)驗(yàn)室成果亮眼，單原子催化劑仍面臨三大瓶頸：原子密度低（通常<5wt.%）、高溫易團(tuán)聚、量產(chǎn)工藝復(fù)雜。論文指出，現(xiàn)有合成方法如原子層沉積、電化學(xué)沉積等，效率低且成本高昂，難以滿足車載燃料電池的吉瓦級(jí)需求。

研究團(tuán)隊(duì)提出破局方向：開發(fā)新型載體材料。例如，用氮化鈦（TiN）替代碳載體，可將鉑原子固定效率提升3倍；采用金屬有機(jī)框架（MOF）材料預(yù)設(shè)計(jì)錨定位點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)鉑原子的高密度負(fù)載。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的催化劑設(shè)計(jì)，有望在一年內(nèi)將單原子密度從1%提升至10%。

未來展望：氫能汽車的“平價(jià)密碼”

若單原子催化劑成功產(chǎn)業(yè)化，燃料電池成本將下降60%，壽命延長(zhǎng)至1萬小時(shí)以上。研究預(yù)測(cè)，2026年該技術(shù)有望在無人機(jī)和物流車領(lǐng)域率先應(yīng)用，2030年搭載于乘用車。屆時(shí)，氫能源車補(bǔ)能成本可與燃油車持平，加氫3分鐘續(xù)航800公里將成為常態(tài)。

來源: FIE能源前沿期刊