頂級期刊發表！哈工程突破氫電池研發瓶頸

在“雙碳”目標驅動下，氫能已成為能源轉型的關鍵抓手。質子交換膜燃料電池（PEMFC）作為氫能利用的核心器件，其性能直接決定了產業化進程。然而，陰極氧還原催化劑的活性與穩定性瓶頸，正是當前亟待突破的關鍵所在。

近日，哈爾濱工程大學材化學院楊飄萍教授、賀飛教授團隊聯合香港理工大學張曉助理教授，在PEMFC陰極催化領域取得重要研究突破。團隊提出以稀土元素釔為核心的納米合金結構調控新策略，構建“稀土摻雜—晶面工程—電子結構協同重構”的完整研發鏈條，顯著提升了催化材料的氧還原（ORR）催化活性與結構穩定性，為PEMFC的實際規模化應用奠定了材料基礎。相關成果以“具有工程化(111)晶面的Y摻雜PtFeNi中熵納米合金促進氧還原反應” 為題，發表在材料領域國際頂級期刊《先進材料》上（Advanced Materials）。材化學院2023級博士生高一鈞為論文第一作者，賀飛教授，楊飄萍教授，張曉助理教授為共同通訊作者，哈爾濱工程大學為第一單位。

Y-PFN材料合成、表征及器件性能對比

質子交換膜燃料電池以H2和O2為反應物，生成H2O，是一種極具前景的綠色能源轉器件。然而，其大規模應用面臨一個核心難題：陰極處氧還原反應的本征速率較慢，嚴重降低電池整體性能。為了解決這個問題，團隊致力于改進陰極鉑合金催化劑，通過精細調控其成分和形貌等，提升催化反應速率。

目前，稀土元素摻雜是一條很有希望的技術路線，也取得了喜人的進展。然而稀土元素影響催化劑晶體生長和結構演化的作用機制尚不清楚，即缺乏理論性、規律性的結論。更重要的是，目前的合成方法往往較為復雜，產業化潛力較小。以上問題極大限制了這類新型催化劑的設計和應用。

針對上述核心問題，賀飛教授、楊飄萍教授與張曉助理教授團隊創新設計“稀土摻雜誘導晶面定向暴露”的調控策略，大幅提升了鉑基合金材料的氧還原催化性能。該研究解決了傳統鉑基合金催化劑 “活性提升與結構穩定難以兼顧&納米顆粒表面結構難以長效保持” 的領域難題。在燃料電池陰極實際工作條件下，團隊研發的稀土釔摻雜鉑基中熵納米合金實現了催化性能的精準激活：通過稀土釔摻雜誘導納米顆粒定向形成并穩定暴露 (111) 活性晶面，同時協同調控材料局域電子結構，形成 “晶面誘導+電子云調控” 的雙重作用，顯著優化了反應界面的吸附與轉化過程，實現了催化活性與結構耐久性的高效平衡。研究團隊進行了燃料電池器件層面的性能驗證，證明了其在實際場景中的應用潛力，實現了 “理論設計—精準合成—應用驗證” 的貫通式研究推進，為稀土摻雜納米合金在新能源器件產業化中的應用提供了重要參考。

本研究為下一代新能源動力系統的發展提供了關鍵核心材料支撐。在長途運輸領域，該催化劑通過穩定的(111)晶面長效保持，顯著抑制了納米顆粒在復雜工況下的團聚流失，有望為氫能商用車的商業化鋪平道路；在固定式發電與分布式能源領域，稀土元素的引入增強了催化劑的抗腐蝕能力，使其適用于MW級發電站的長時連續運行，支撐新型電力系統建設；在軌道交通、氫能船舶及無人機航空等新興動力裝備領域，其“晶面誘導+電子云調控”的雙重機制有望在低鉑載量下實現更高功率密度，為對重量和空間敏感的低空經濟飛行器、水下潛航器等高價值裝備提供技術選項；此外，隨著理論機制的明晰，該研究有望指導未來更高效的低鉑催化劑設計，從材料源頭降低電堆成本，進而刺激綠氫制取、儲運、加注等環節發展，加速氫能經濟閉環。

期刊簡介

《先進材料》(Advanced Materials, AM) 是 Wiley出版集團旗下的核心旗艦刊物，為材料科學領域國際頂級期刊，JCR分區為一區，其2025年影響因子為 26.8。

楊飄萍，哈工程教授，長期致力于功能納米材料的可控合成及其在生物醫學、能源催化等領域的應用研究。帶領團隊聚焦于腫瘤治療新方法、新材料及新機制的研發，尤其是在壓/熱/鐵電催化治療、鐵死亡與腫瘤免疫治療的交叉領域取得了系列創新成果。在《自然·通訊》、《科學·進展》、《美國化學會志》、《先進材料》、《化學評論》等期刊發表論文400余篇，其中ESI高被引論文累計40余篇，他引3.8萬余次，h指數101，連續多年被評為科睿唯安/愛思唯爾全球高被引科學家。

本文來自“哈爾濱工程大學科學技術研究院”

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