16 观点呈现

　　膜电极之催化剂

　　（三）

　　除了性能之外，更需要看重的是催化剂的使用寿命和耐久性。丰田汽车公司通过对铂/碳催化剂失活的原位上的研究。他们发现，铂催化剂发生溶解并在颗粒间内部会发生迁移，即本来铂颗粒原本比较小，当铂发生溶解之后，这些小颗粒上的铂原子会沉积到大的铂颗粒上，因为最终发挥催化活性的只有位于表面的铂原子，如果铂颗粒增大，内部铂原子将无法起到催化效果，会降低铂的利用率。铂颗粒之间发生团聚长大，还会出现Ostwald熟化反应。碳载体长期受高电位氧化腐蚀，铂颗粒会从碳载体表面脱落，从而无法产生催化效果。所以，催化剂耐久性方面的研究，一方面要提高铂催化剂本身的耐久性，另一方面则需要提高铂催化剂碳载体的耐久性，以及铂与碳载体之间的结合性能。如果铂和碳载体之间的结合比较紧密，则铂不易从碳载体表面脱落，可以更好地发挥催化剂作用。耐久性的改善，关键是需要通过特殊的表面处理，防止内部合金元素原子从内部溶解脱出，从而维持催化剂的活性。

　　17 观点呈现

　　膜电极之催化剂

　　（四）

　　低铂催化剂。催化剂对燃料电池电堆的功率和寿命有很大影响。质子交换膜燃料电池是低温燃料电池，工作温度不足100℃，是唯一能应用在汽车领域的燃料电池，但对催化剂的活性要求很高。目前铂是最理想的催化剂，也是唯一商业化的催化剂。铂属价格昂贵的稀有贵金属，被运用到燃料电池质子交换膜内，通常是暴露在表面的铂原子会被有效利用，而位于铂颗粒内核的铂则未被利用，从而降低了铂的利用率；且当处于低相对湿度和大电流区域时，位于孔道内部的铂不能有效催化氧气还原，进一步降低了铂的利用率。在低铂技术路线中，主要是为了降低铂载量，提高催化剂活性，从而降低在小电流区域的动力学损失，提高比功率。催化剂总的活性取决于单个活性位点的活性大小和总的活性位点的数目多少。比如说，在活性位点数目相同的前提下，如果单个活性位点的活性较大，那么催化剂总的活性就较高；同样，如果说，单个活性位点的活性相同，如果活性位点数数目较多，那么催化剂总的活性也就相应较高。所以，要提高催化剂的活性，一方面可以提高单个活性位点的活性，另一方面可以提高活性位点的数目。这两种方法对于低铂和非铂催化剂的设计均适用。除了催化剂的活性，催化剂的分布以及催化剂的利用率同样对最终的性能有重要影响。下一代低铂催化剂的展望：在性能方面，小电流区域以动力学主导，提高催化剂的质量比活性，通过低铂和非铂技术路线，降低铂载量；大电流区域以扩散传质主导，要想获得更好的性能，必须选择合适的碳载体和提高铂的电化学活性面积，提高比功率。在耐久性方面，对于铂合金或铂核壳，需要减少内部元素的溶解脱出，维持表面致密铂原子层的结构；增加铂催化剂与碳载体的相互作用，减少铂催化剂的脱落；同时增加碳载体的耐腐蚀性，在启动停止、反极等恶劣操作工况下减缓膜电极的性能损失。

　　18 观点呈现

　　膜电极之催化剂

　　（五）

　　目前，无铂催化剂也是一个研究方向，中国科学院化学研究所胡劲松研究员、万立骏院士与重庆大学魏子栋教授研究团队最近发展了一种高活性Fe-N-C类非贵金属催化剂。实验表明，该催化剂在阴极侧有着很优秀的氧还原催化性能。从低温燃料电池的大规模应用以及长远发展角度考虑，非铂催化剂是低温燃料电池催化材料的主要发展方向之一。燃料电池非铂催化剂的研究对于燃料电池这种未来清洁能源的商业化，也具有非常重要的意义。非铂催化剂的催化活性和稳定性，与传统铂基催化剂相比，仍有一定差距。但是，这些催化剂具有价格低廉、资源丰富的优势，是潜在的可代替铂的廉价电催化剂。应用新方法、新技术改进催化剂制备方法，提高活性组分分散度，从而大幅度提高催化活性，是燃料电池的一个主要研究方向。

　　总之，低铂催化剂目前均采用铂合金或铂核壳结构，内部主要是一些便宜的其他过渡金属，初始性能可以达到DOE的要求，但耐久性是目前存在的最大问题；在保持目前性能的前提下，继续降低铂载量将是一个痛点难点问题。非铂催化剂无论是性能还是寿命，都无法与铂基催化剂相比较，车用场景不太适合，可能可以应用于固定基站等场景；对非铂催化剂的失活机制需要探究并得到更深入的理解认识。

　　氢燃料电池成本与资源制约使得研究热度高涨，未来降成本主要依靠改性与无Pt催化剂。催化剂具有启动和加速氢燃料电池内部核心化学反应和氢氧化或氧还原电催化活性的作用。催化层通常由催化剂/载体和质子交换树脂溶液制备而成，属薄层多空结构，厚度一般在5-10

　　μm

　　。针对成本和耐久性问题，研究新型高稳定、高性能的低Pt或非Pt催化剂是目前热点。考虑到铂金昂贵和稀有，降低Pt用量一直是催化剂研究主要方向。对于质子交换膜燃料电池Pt用量的降低，一方面通过提高催化剂的催化活性来实现Pt用量降低，一方面寻找替代Pt的催化剂：主要研究方向有Pt合金催化剂、Pt单原子催化剂、Pt纳米管和Pt核壳等；研究非Pt催化剂替代，包括钯基催化剂和非贵金属催化剂。