牛！2天3篇JACS！厦门大学黄小青，成果斐然！

开发高效耐用的膜电极组件（MEAs）是质子交换膜燃料电池（PEMFCs）广泛应用的必要条件。然而，较差的传质效率和缓慢的氧还原反应（ORR）动力学显著抑制了PEMFCs中铂（Pt）基MEA的功率密度和寿命，特别是在使用超低Pt负载量时。

受红细胞中血红蛋白功能原理的启发，厦门大学黄小青教授和陈南君副教授（共同通讯作者）等人报道了一种血红素（Heme）辅助因子策略，构建了用于PEMFCs的“呼吸质子转移链”。该策略可以有效地激发Pt的催化活性，同时提高MEAs的传质效率，其中具有羧基和Fe²⁺基团的多功能血红素可以加速质子和氧的运输，提高ORR动力学。

测试结果表明，将血红素与典型Pt催化剂（即商用Pt/C、商用Pt₃Co/C和自制PtCo）结合，血红素刺激的Pt型MEAs的峰值功率密度（PPD）和质量活性（MA）分别显著提高50%~109%。更重要的是，在0.1 mg_Pt cm^-2的低Pt负载量下，血红素刺激的PtCo-基MEA实现了3.8 W cm^-2（H₂-O₂）和1.9 W cm^-2（H₂-空气）的PPD记录，大大超过了之前最先进的MEA所创造的PPD记录。同时，所开发的血红素刺激MEA可以在1.5 A cm^-2的条件下稳定运行超过50天（1250小时），MA保留率为93%。本研究结果强调了这种普遍有效的血红素辅助因子策略在实际燃料电池应用中的可行性。

相关工作以《Designing Natural Cell-Inspired Heme-Spurred Membrane Electrode Assembly for Fuel Cells》为题发表在2025年6月17日的《Journal of the American Chemical Society》上。

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黄小青，厦门大学教授、博士生导师，2020年获国家杰出青年科学基金资助。2005年本科毕业于西南师范大学；2011年博士毕业于厦门大学（导师：郑南峰院士、郑兰荪院士）；2011—2014年在美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授、段镶锋教授课题组从事的博士后研究工作。

课题组长期致力于贵金属纳米材料的可控合成及电、热、光催化应用研究。已累积发表论文300余篇，包括Science、Nat. Nanotechnol.等。先后获得2018年度国家自然科学奖二等奖（第二完成人）、2024年中国青年科技奖、2019年度江苏省科学技术一等奖（第一完成人）、2018年度霍英东教育基金会青年教师奖、2017年度中国化学会青年化学奖、2017年度中国电化学青年奖等。

经AST处理后，Heme@c-Pt的ECSA和MA保留率分别为96.0和62.8%，显著高于c-Pt的73.7和22.2%。作者探索了Heme负载量对燃料电池性能的影响（0~10 wt %），结果表明1 wt% Heme可以实现最高的PPDs，因此选择1 wt% Heme作为后续研究的最佳负载。对比c-Pt和c-Pt₃Co基MEAs，Heme@c-Pt（2.77 W cm^-2）和Heme@c-Pt₃Co（3.26 W cm^-2）基MEAs的PPDs在H₂-O₂中以0.1 mg_Pt cm^-2的低Pt负载量分别显著提高了51%和50%。同时，加入Heme后，Heme@c-Pt和Heme@c-Pt₃Co-基MEAs的MAs分别大幅提高了109和86%，表明Heme也可以刺激Pt催化剂的活性。

图1.血红素刺激CLs的反应过程和结构表征示意图

在H₂-空气条件下，Heme@c-Pt和Heme@c-Pt₃Co基MEAs的PPDs分别为1.48和1.56 W cm^-2，对比不含血红素的MEAs，PPDs提高了1.5倍。对比未添加Heme的MEAs，Heme@c-Pt和Heme@c-Pt₃Co基MEAs的额定功率密度（@0.67 V）分别提高了49%和53%。当Pt负载量降低到0.065 mg_Pt cm^-2时，Heme@cPt-基MEA在H₂-O₂和H₂-空气中分别达到了36.5 W mg_Pt^-1和19.2 W mg_Pt^-1，显著超过了所有使用c-Pt的MEAs。

图2.含血红素辅因子基商用催化剂的燃料电池性能

当将血红素辅助因子策略与PtCo催化剂结合时，Heme@PtCo-基MEA在H₂-O₂和H₂-空气中分别实现了创纪录的3.8和1.9 W cm^-2的PPDs，Pt负载低至0.1 mg_Pt cm^-2。在内阻校正（无-iR）电压为0.9 V时，Heme@PtCo-基MEA的MA在H₂-O₂中显著增强至0.60 A mg_Pt^-1，是PtCo基MEA（0.25 A mg_Pt^-1）的2.4倍。Heme@PtCo-基MEA获得的PPDs，代表了目前PEMFCs中H₂-O₂和H₂-空气的新记录，显著优于PEMFCs中所有最先进的MEAs。

值得注意的是，Heme@PtCo-基MEA可以在1.5 A cm^-2的高电流密度下稳定工作，并保持93%的MA超过50天（1250小时）。在30000循环ASTa后，Heme@PtCo仍能保持83.3%的初始MA，显著高于c-Pt（27.3%），远超DOE 2025年耐久性目标（MA

图3.自制PtCo与Heme辅因子的燃料电池性能

作者在三种Nafion膜上进行了平面内质子电导率测量：Nafion修饰的原始GORE膜（GMs）；NafionFe-TPP修饰的GORE膜（Fe-TPP/GMs）；Nafion-Heme修饰的GORE膜（Heme/GMs）。在干燥条件下，Heme@c-Pt CLs内Pt活性位点的质子可及性更高。结果表明，Heme@c-Pt的CL比原始c-Pt有更低的离子抗性，证实了血红素辅助因子的引入可以有效提高CL内质子传输的效率。

图4.电催化性能与分子的相关性

EIS结果表明，Heme的存在显著降低了H₂-O₂（从0.0098到0.0043 Ω）和H₂-空气（从0.058到0.022 Ω）燃料电池中O₂的总传质阻力。旋转圆盘电极（RDE）实验结果表明，Heme@c-Pt的氧扩散系数高于c-Pt，突出表明血红素的加入可以降低CL的氧渗透屏障。Heme@c-Pt和c-Pt的压力无关电阻（RNP）值分别为17和22 s m^-1，反映了Heme对气体扩散的积极作用。随着施加电位从1.0 V降低到0.3 V，水峰强度增加，表明还原速率加快。

此外，Heme@c-Pt在1434、1277和1060 cm⁻¹附近有峰，分别对应于O-O在*O₂、*OOH和*O₂₋中的拉伸。更重要的是，在c-Pt中没有观察到*O₂₋的峰，表*O₂₋不是c-Pt的反应中间体。在Heme@c-Pt中，当外加电位从0.9 V降至0.6 V时，*OOH的峰面积先增大后减小。原位SEIRAS分析显示，Heme@c-Pt中的界面水峰相对于PP@c-Pt和c-Pt中的界面水峰发生了红移，表明血红素可以促进强大的氢键网络的产生，从而通过Grotthuss机制促进Heme@c-Pt中的界面质子转移。结果表明，Heme在PEMFCs中作为“呼吸质子运输链”发挥作用，显著提高了Heme片段内羧基和Fe²⁺离子的质子和氧运输效率。

图5.机理研究

Designing Natural Cell-Inspired Heme-Spurred Membrane Electrode Assembly for Fuel Cells. J. Am. Chem. Soc., 2025, https://doi.org/10.1021/jacs.5c05017.

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