电池寿命更长、性能更强…高丽大学提出下一代氢燃料电池催化剂新方案[读懂科学]

by Kim Jonghwa

Published 14 Jan.2026 13:27(KST)

突破氧还原反应极限…高负载下性能与耐久性同步提升

由韩国研究团队开发出一种同时突破氢燃料电池性能下降和耐久性极限的下一代铂催化剂。高丽大学化学系教授 Lee Gwangryeol 研究团队与韩国科学技术研究院（KIST）博士 Yoo Seongjong 研究团队、成均馆大学教授 Lee Sangwook 研究团队共同开发出一种在氢燃料电池关键反应——氧还原反应（ORR）中，可同时提升性能和耐久性的铂基催化剂，并于14日予以公布。

此次研究成果于1月6日在线发表在材料与能源领域国际学术期刊《Advanced Materials》上。论文题目为“通过调控界面氧空位介导的有序结构提升三元 Pt₃(Co,Mn)₁ 金属间化合物纳米粒子的氧还原反应性能（Tailoring Interfacial Oxygen Vacancy-Mediated Ordering in Ternary Pt₃(Co,Mn)₁ Intermetallic Nanoparticles for Enhanced Oxygen Reduction Reaction）”。

该研究中开发的催化剂的形成与工作原理示意图。左侧图展示了在氧化物（MnO）界面生成的氧空位如何诱导催化剂内部原子排布，从而形成以往难以实现的 Pt-Co-Mn 三元金属间化合物结构的过程。右上图显示，实际合成的纳米催化剂在原子尺度上保持均一结构，Mn、Co、Pt 分布均匀。右下图表明，这种结构特性带来较高的氧还原反应活性和优异的耐久性，在实际燃料电池工况下实现了超越传统催化剂的性能。研究团队提供

氢燃料电池是一种通过氢气与氧气的电化学反应来发电的环保能源技术，但阴极发生的氧还原反应反应速率较慢，以及长时间运行导致的催化剂劣化，一直被视为商业化的关键障碍。尤其是传统铂基金属间化合物催化剂虽然具有优异的结构稳定性，但在精确调控原子组成和排列方面存在局限，在氢燃料电池汽车等高负荷运行条件下难以同时满足性能和耐久性要求。

利用氧空位的三元铂催化剂成为突破口

为克服这些局限，研究团队全新设计了由铂（Pt）、钴（Co）、锰（Mn）构成的三元金属间化合物纳米催化剂。通过利用在催化剂与氧化物界面形成的氧空位（oxygen vacancy）来调控催化剂内部原子排列的策略，成功稳定地构筑了以往难以实现的三元 Pt 基金属间化合物结构。

新开发的催化剂内部电子结构实现了优化，使氧还原反应活性与长时间耐久性同步提升。电化学性能评估结果显示，其质量活性较商用 Pt/C 催化剂提高了10倍以上，并且在超过15万次加速耐久性测试后仍能保持初始性能的96%以上。

从左起为 Park Yeji 高丽大学及韩国科学技术研究院博士（第一作者）、Kim Doyeop 高丽大学化学系博士课程在读（第一作者）、Lee Sanguk 成均馆大学教授（通讯作者）、Yoo Sungjong 韩国科学技术研究院博士（通讯作者）、Lee Gwangryul 高丽大学化学系教授（通讯作者）。高丽大学提供

同时，在膜电极组件（MEA）应用测试中，该催化剂表现出的性能也超过了美国能源部（DOE）提出的2025年性能标准。在高负荷条件下，其输出功率依然高于现有催化剂，不仅证明了在氢燃料电池汽车方面的应用潜力，也展示了在发电用燃料电池等多种领域的广泛应用可能性。

教授 Lee Gwangryeol 表示：“本研究提出了一种能够在原子层面同时调控结构有序性与组成设计的新型催化剂设计策略，并在实际燃料电池运行条件下同时验证了性能与耐久性，有望进一步加速下一代氢燃料电池的实用化进程。”