質子交換膜燃料電池（PEMFC）因高效環保成為清潔能源領域的重要發展方向，但其陰極氧還原反應（ORR）依賴高負載鉑（Pt）催化劑，成本與資源稀缺性限制了PEMFC大規模應用。Pt基金屬間化合物雖能降低Pt用量，但其高溫有序化過程中納米顆粒易燒結長大，導致活性衰減。傳統抗燒結策略（如載體工程、空間隔離）難以解決高金屬負載（≥40 wt.%）下的燒結難題，因此亟需從熱力學本質上探索降低納米顆粒表面能的新方法。
基于此，中國科學院上海高等研究院研究團隊利用熵增輔助抗燒結策略合成了小粒徑高載量Pt基高熵金屬間化合物氧還原催化劑，并揭示了熵增抗燒結機制與Pt基高熵金屬間化合物氧還原活性與穩定性增強機制。
研究提出“熵增輔助抗燒結”概念，通過增加合金前驅體的混合熵（ΔSmix）降低納米顆粒表面能，抑制高溫下顆粒遷移與聚結。實驗表明，隨著合金元素種類增加（從一元Pt到五元PtCoNiGaZn），ΔSmix顯著提升，納米顆粒平均尺寸逐漸減小，尺寸分布更均勻。理論計算闡明，熵增可從根本上降低納米顆粒表面能，從而有效削弱了燒結驅動力。
研究人員通過液相還原-表面置換-高溫退火工藝，制備出金屬負載量40.53 wt.%、平均粒徑3.15 nm的PtCoNiGaZn@Pt/C催化劑。其核心為有序L10面心四方高熵金屬間化合物（HEI），表面包覆Pt殼層，形成“核-殼”結構，有序度高達71%。HEI核通過強壓縮應變（7.38%）優化Pt殼層電子結構，調控d帶中心，優化*OOH中間體吸附，同時抑制Pt氧化與溶解，顯著增強了本征活性與穩定性。
在0.9 V（vs. RHE）下，質量活性（MA）達0.65 A mg-1 Pt，是商業Pt/C（0.12 A mg-1 Pt）的5.4倍。經20000次循環加速耐久性測試（ADT）后，MA衰減27%，半波電位僅衰減14 mV，遠優于Pt/C（MA衰減>50%，半波電位衰減70 mV）。采用該催化劑，陰極低至0.1 mg Pt cm-2，氫-空燃料電池峰值功率密度高達0.96 W cm-2，氫-氧燃料電池達2.44 W cm-2，均超越商業Pt/C，質量活性0.85A mg Pt-1。30000次循環ADT后，膜電極峰值功率密度僅下降6%（Pt/C下降28%）、質量活性僅衰減12.5%，呈現出實際應用潛力。
該研究揭示了混合熵與納米顆粒表面能的關系，為高溫抗燒結提供了新策略，闡明了通過高熵金屬間化合物 “應變調控”同步提升氧還原反應的活性與穩定性，突破了傳統二元合金的性能瓶頸。
相關成果發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金、上海市科技創新行動計劃等的支持。
論文鏈接
熵增輔助抗燒結策略合成高載量鉑基金屬間化合物作為質子交換膜燃料電池電催化劑
本文鏈接：燃料電池低鉑催化劑研究取得進展http://m.sq15.cn/show-12-1162-0.html
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