质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其卓越的能量转换效率、有限的环境影响和可靠的产品性能而受到科学界的广泛关注。然而，Pt基膜电极组件(MEAs)的性能仍然不理想。离聚物通常用作PEMFCs催化层中的必要添加剂，以提供质子并增强催化剂浆在成膜过程中的分散。然而，这些掺杂的离聚物的未经修饰的磺酸基团不可避免地与Pt位点相互作用，导致不同的吸附和质量活性显著降低。
此外，离聚物在催化剂表面的不均匀分散也增加了对O2在微界面上扩散的阻力，在高电流密度区域造成电压损失。尽管人们已经实施了各种策略来解决这些问题，但是在离聚物毒性、O2转移和催化剂稳定性之间取得最佳平衡仍然是一个巨大的挑战。这需要开发出新的界面工程，以释放Pt基材料在MEAs中的全部潜力。
近日，北京大学郭少军课题组报道了一种操纵阴极催化剂层内离子体吸附和分布的界面方法，显著提高了MEAs中Pt基材料的活性和稳定性。具体而言，研究人员通过羰化油胺捕获的纳米晶体设计了一种Pt3Fe NPs/多孔N掺杂原子薄碳层核/壳结构(PNAC-o-Pt3Fe/C)，然后构建了独特的Pt3Fe/多孔碳层/离聚体夹芯界面。
当整合到MEAs的阴极催化剂层时，这种设计通过物理分离Pt表面的磺酸基团，有效地消除了离子体吸附途径。此外，原子薄度的多孔N掺杂碳层促进了催化剂表面离子体的质量转移和均匀分布，从而提高了O2的可达性。
实验结果表明，三明治结构催化剂中Pt上的磺酸基覆盖率仅为10.1%，明显低于无碳层催化剂(21.2%)。PNAC-o-Pt3Fe/C催化剂在动力学区域表现出优异的活性，在高电流密度下的质量输运性能得到改善(O2输运电阻RO2PI值为0.03 s cm-1)，优于先前报道的基于PtFe的催化剂。
此外，PNAC-o-Pt3Fe/C催化剂在旋转圆盘电极(RDE)和MEA实验中均表现出高耐久性，即使在60000次加速衰变试验(ADT)后和在MEA中连续电解100小时后仍保持稳定。总的来说，该项研究提供了一个平衡Pt-离聚物相互作用的概念，为燃料电池技术的发展奠定了基础。
Sandwiching intermetallic Pt3Fe and ionomer with porous N-doped carbon layers for oxygen reduction reaction. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-58116-7
郭少军，北京大学博雅特聘教授、国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、英国皇家化学会会士；吉林大学学士、中科院应化所博士、布朗大学博士后、美国阿拉莫斯国家实验室奥本海默杰出学者。长期致力于将国家重大需求与基础研究相结合，重点研究燃料电池、氢能与储能电池。发展了高性能原子、亚纳米和纳米催化材料设计的思想，提出了材料应变调控催化的新方式，率先揭示了材料本征拉应变和双轴应变调控催化材料电子结构与催化性能的化学机制，研制出了系列新概念电/光催化材料，显著提升了燃料电池和氢能催化性能，解决了能源小分子反应动力学慢的关键难题，有力推动了材料、化学和能源的交叉与融合。独立工作以来以通讯作者在Nature、Science、NSC系列、AM/Angew./JACS/PNAS等高影响力期刊发表学术论文200余篇；论文被引6.8万余次，h指数137。