碱性氢氧化反应中Pt基催化剂研究总结
本文围绕Pt基催化剂在碱性氢氧化反应（HOR）的研究展开，系统梳理理论机制、材料设计及实际应用，为氢燃料电池产业化提供参考。
从研究背景看，氢燃料电池是碳中和关键技术，阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）因可使用非贵金属阴极、材料成本低具优势，但商业化受限于阳极碱性HOR动力学缓慢。酸性HOR路径简单、Pt基催化剂活性高，而碱性HOR涉及水分子解离、OH⁻传输等多步骤，动力学比酸性低2-3个数量级，即便用高活性Pt基催化剂，碱性条件下交换电流密度仍低，需提升近10倍Pt载量，大幅推高成本。因此，理解碱性HOR机理、设计高活性、高稳定性、低Pt载量阳极催化剂，成为氢燃料电池产业化核心问题。
在HOR基础原理方面，碱性HOR遵循Tafel–Volmer或Heyrovsky–Volmer路径，OH⁻以自由离子或吸附态OHad参与反应。氢结合能理论（HBE）与双功能理论是核心活性描述符，HBE决定Had脱附难度，双功能理论要求催化剂同时具备优化的Had与OHad吸附位点。pH依赖性源于三点：HBE随pH升高增强，Had更难脱附；碱性下界面水分子呈“H-down”构型，形成溶剂化结构抑制Had脱附；OH⁻参与方式随pH变化，增加反应复杂度。
Pt基催化剂设计有四大优化维度。晶格结构调控通过应变效应调节Pt的d带中心优化HBE，如伪晶Pt层外延生长在IrPd核上，可增强与H₂O的相互作用提升稳定性；形貌工程中，核壳结构壳层厚度影响电子结构与应变效应，如2层Pt壳的Ru@Pt催化剂在酸碱中均表现出最优HBE与活性；合金效应通过电子效应（调节d带中心）与亲氧效应（促进OHad吸附）提升性能，如PtRu合金，原位拉曼检测到OHad信号支持双功能理论；尺寸效应上，1nm Pt粒径活性较优，Pt₆纳米团簇与Pt单原子催化剂通过配体效应优化HBE与CO耐受性。
反应机理研究依赖理论模拟与原位表征结合。密度泛函理论（DFT）计算可预测HBE、反应自由能垒等，揭示电子结构与催化活性关联；原位拉曼光谱能检测OHad信号，为双功能理论提供证据；原位红外光谱可区分不同位点的Had物种；X射线吸收谱则用于分析催化剂原子配位环境与电子态。
在AEMFC实际性能中，Pt/C阳极峰值功率密度为0.6 W·cm⁻²，PtRu/C可达1.0 W·cm⁻²；PmPt@IrPd/C催化剂Pt载量仅0.009 mg·cm⁻²（约为常规Pt/C的1/10），却实现1.27 W·cm⁻²的高功率输出，远超美国能源部2021-2023年的目标。
当前研究虽取得进展，但仍面临挑战：机理认知不统一，HBE与双功能理论主导性、OHad稳定性等存在争议；碱性介质中碳载体腐蚀、Pt溶解团聚等导致催化剂稳定性不足；贵金属成本仍是产业化障碍；催化剂抗毒化能力弱，易受CO、H₂S等杂质影响。未来需发展精准原位表征技术、构建贴近真实的理论模型、探索非贵金属替代方案、推进膜电极一体化设计，并结合人工智能与高通量计算加速催化剂研发。
超声喷涂的核心价值体现在“催化剂层-膜-扩散层”的三相界面优化：
– 阳极催化剂层制备：将Pt基催化剂浆料（含离聚物、溶剂）超声喷涂到阴离子交换膜表面，形成厚度5-20μm的均匀涂层，离聚物与催化剂颗粒的混合更均匀，减少“离子传导死区”，使碱性HOR中OH⁻的传输阻力降低20-40%，缓解“碱性HOR动力学缓慢”的问题。
– 批量生产适配性：相较于真空溅射等高端技术，超声喷涂设备成本低、效率高（单批次可制备100+片MEA），且涂层重复性好（误差<5%），符合AEMFC产业化中“成本控制与性能稳定性”的双重需求，尤其适配PtRu/C等常规高活性催化剂的规模化应用（PtRu/C阳极功率密度达1.0W·cm⁻²）。
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