阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）因其非贵金属催化剂体系与低成本组件，在氢氧燃料电池领域打破了对传统质子交换膜燃料电池对铂族金属（PGM）的依赖，为规模化应用提供了兼具经济性与可持续性的技术路径。然而，碱性介质中阳极氢氧化反应（HOR）的动力学速率比酸性介质慢约两个数量级，这成为制约其发展的瓶颈。目前镍基催化剂（例如Ni₃N）尽管成本较低，但其本征活性远低于贵金属基催化剂，并且在高电位下容易出现钝化现象，这导致其活性迅速下降。此外，传统纳米颗粒催化剂内部存在大量非活性金属原子，导致贵金属的利用率低下，进而增加了催化剂的成本。因此，开发低PGM或无PGM的高效HOR催化剂成为了一个亟待解决的关键挑战。

据此，我校材料科学与工程学院博士研究生王淑琪在赵璐副教授等人的共同指导下，开发了一种Pd单原子嵌入Ni₃N纳米晶表面的单原子合金催化剂，具有非常规的Pd₁Ni₂协同吸附位点，可以在碱性介质中驱动高效耐用的HOR：

1. 通过理论计算和实验分析，发现引入Pd单原子形成的独特Pd₁Ni₂-H_v和Pd₁Ni₂-H_N三重空位可以协同优化*H和*OH吸附能，从而加速HOR。

2. Pd₁/Ni₃N催化剂实现了优异的本征活性，抗氧化和抗CO毒化性能。在50 mV过电势下，Pd₁/Ni₃N的质量活性达到7.54 A mg_Pd^-1。使用Pd₁/Ni₃N作为阳极的AEMFC在阳极贵金属用量仅为0.023 mg_Pd cm^-2时实现了31.7 W mg_Pd^-1的功率密度。

本研究不仅证明了原子级催化位点工程的构筑对反应中间体吸附能力协同调控的重要性，还为设计高活性和耐用的AEMFC中HOR催化剂提供了新思路。

图 1  Pd₁/Ni₃N催化剂的理论预测

图 2 Pd₁/Ni₃N催化剂的阴离子交换膜燃料电池性能

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Journal of the American Chemical Society》上： Pd₁Ni₂ Trimer Sites Drive Efficient and Durable Hydrogen Oxidation in Alkaline Media. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 6, 5398-5407.

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17605