论文标题：Anti-corrosion carbon support for mass transfer enhancement in low-platinum loaded fuel cells

期刊：Frontiers in Energy

作者：Zhengguo Qin, Linhao Fan, Chasen Tongsh, Zixuan Wang, Qing Du, Kui Jiao

发表时间：6 Sept 2025

DOI：10.1007/s11708-025-1042-0

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文章简介

本文介绍了一项旨在提升低铂（Pt）负载燃料电池性能与耐久性的研究，该研究开发了一种树状氮掺杂碳（T-NC）载体结构。T-NC以碳纳米管（CNTs）为导电主干，通过2-甲基咪唑锌盐（ZIF-8）衍生碳形成分支，为铂族金属（PGMs）提供附着位点。在阴极Pt负载量为0.1 mg_Pt/cm²的条件下，Pt/T-NC电极相比传统Pt/C电极，在2.0 A/cm²电流密度下浓度损失降低了30%，峰值功率密度提升了12.7%，且耐腐蚀性显著增强。经过5000次碳腐蚀加速耐久性测试（ADT）后，燃料电池仍保留50.8%的初始性能，而传统电极仅保留38%。该结构为高效低铂燃料电池的商业化应用提供了新思路。

研究背景及意义

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为高效清洁的电化学能量转换装置，在氢经济中被视为低碳交通的关键解决方案，尤其当氢气来自可再生能源时，可实现近零温室气体排放。然而，其大规模商业化受限于性能、成本与耐久性：美国能源部（DOE）要求到2030年，轻型车辆（LDVs）燃料电池系统需稳定运行8000小时以上，重型车辆（HDVs）需超过25000小时，且成本需降至30美元/kW（LDVs）和60美元/kW（HDVs）。其中，铂催化剂成本占总系统成本的40%，因此降低Pt负载并提升性能成为核心挑战。

传统碳载体存在两大瓶颈：一是随机堆叠导致传质路径曲折，限制反应效率；二是耐腐蚀性不足，导致长期运行中性能衰减。理想的碳载体需具备高石墨化（抗腐蚀）、高比表面积（均匀分散PGMs）和规则形貌（有序传质网络）。现有研究多聚焦于介孔碳、石墨烯等特殊结构碳材料，但ZIF-8衍生碳因高比表面积、可调孔隙率及低成本潜力，被认为是低铂催化层（CL）的理想载体。本研究通过构建T-NC结构，旨在同时解决传质与耐久性问题，弥合理论催化活性与实际输出的差距。

主要研究内容

研究通过多步工艺合成T-NC：首先用高锰酸钾（KMnO₄）和硫酸（H₂SO₄）对多壁碳纳米管（MWCNTs）进行酸洗，引入含氧官能团和缺陷，增强其与ZIF-8前驱体的相互作用。随后将预处理的MWCNTs分散于ZIF-8前驱液中，通过甲醇溶剂中Zn²⁺与2-甲基咪唑（2-MIM）的配位反应，在MWCNTs表面生长ZIF-8晶体，形成ZIF-8@MWCNT复合物。经氩气氛围下1150 ℃煅烧后，Zn蒸发形成多孔结构，最终得到以MWCNTs为导电主干、ZIF-8衍生碳为分支的树状结构，其中氮掺杂（N）提供Pt锚定位点，多级孔隙（微孔、介孔、大孔）优化传质。

图1 Pt/T-NC的结构表征及其在低铂负载燃料电池中的应用

图2 T-NC与其他碳载体的材料特性对比

N?吸附-脱附测试显示，T-NC比表面积达699 m²/g，显著高于MWCNTs（88 m²/g）和未酸处理的NC@MWCNT（625 m²/g），且介孔与大孔比例提升，降低了传质阻力。拉曼光谱表明，T-NC的ID/IG比值为0.9，低于纯ZIF-8衍生碳，证实高石墨化结构增强了耐腐蚀性。透射电子显微镜（TEM）显示，T-NC上的Pt颗粒尺寸约2 nm，分布均匀，而MWCNTs表面Pt颗粒易团聚且尺寸不均。X射线光电子能谱（XPS）显示，Pt/T-NC中Pt 4f7/2结合能为71.3 eV，低于Pt/MWCNT的71.78 eV，表明Pt^δ+价态降低，氧还原反应（ORR）活性提升。

在H₂/空气条件下，当阳极Pt负载0.05 mgPt/cm²、阴极0.1 mg_Pt/cm²时，Pt/T-NC电极的峰值功率密度达0.93 W/cm²，较商业Pt/C提升12.7%。电化学阻抗谱（EIS）分析显示，T-NC电极在2.0 A/cm²时浓度损失降低30%，归因于有序传质网络减少了氧气的传输阻力。ADT测试中，5000次循环后Pt/T-NC电极的欧姆损失、活化损失和浓度损失增幅分别为28.8%、66.5%和40.0%，显著低于Pt/C电极的49.8%、82.2%和146%；电化学活性表面积（ECSA）保留率为51.5%，是Pt/C电极的2.2倍。

图3 Pt/T-NC电极在低铂负载燃料电池中的电化学性能

图4 Pt/T-NC电极在低铂负载燃料电池中的耐久性评估

研究结论

本研究开发的树状氮掺杂碳（T-NC）载体通过MWCNTs主干与ZIF-8衍生碳分支的协同设计，实现了低铂燃料电池性能与耐久性的双重提升。其核心优势在于：一是多级孔隙结构与高比表面积优化传质路径，降低了浓度损失；二是高石墨化结构与氮掺杂增强碳载体耐腐蚀性，抑制了Pt颗粒团聚；三是普适性载体设计可兼容多种PGM催化剂。实验数据表明，Pt/T-NC电极在0.1 mg_Pt/cm²负载下峰值功率密度提升12.7%，5000次ADT后性能保留率达50.8%，显著优于传统Pt/C电极。该研究为解决低铂燃料电池的传质瓶颈与耐久性问题提供了可行方案，推动了理论催化活性向实际应用的转化。

原文信息

Anti-corrosion carbon support for mass transfer enhancement in low-platinum loaded fuel cells

Zhengguo Qin^1,2, Linhao Fan^1,2, Chasen Tongsh^1,2, Zixuan Wang^1,2, Qing Du¹, Kui Jiao^1,2

Author information：

1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300350, China

2. National Industry-Education Platform for Energy Storage, Tianjin University, Tianjin 300350, China

Abstract：

The widespread commercial adoption of fuel cells requires continued improvements in cost-effectiveness, performance, and durability. A tree-like nitrogen-doped carbon (T-NC) support structure was developed for low-platinum (Pt) loaded fuel cells. Carbon nanotubes serve as the conductive backbone, while ZIF-8-derived carbon, synthesized from 2-methylimidazole zinc salt, forms the branches that provide attachment sites for platinum group metals (PGMs). In cathodes with a Pt loading of 0.1 mg_Pt/cm², this novel Pt/T-NC electrode exhibited a remarkable 30% reduction in concentration loss at 2.0 A/cm² and a 12.7% increase in peak power density, compared to conventional Pt/C electrodes. Additionally, the corrosion resistance of the electrode was improved. Following 5000 cycles of accelerated durability testing (ADT) for carbon corrosion, the fuel cell retained 50.8% of its original performance, while conventional electrodes retained only 38%. The T-NC structure is broadly applicable for supporting various advanced PGM catalysts. This advancement offers a promising approach to bridge the gap between theoretical catalytic activity and practical output, leading to substantial improvements in both performance and durability of fuel cells.

Keywords:

hydrogen energy; fuel cell; carbon support; performance; durability

Cite this article:

Zhengguo Qin, Linhao Fan, Chasen Tongsh, Zixuan Wang, Qing Du, Kui Jiao. Anti-corrosion carbon support for mass transfer enhancement in low-platinum loaded fuel cells. Front. Energy DOI:10.1007/s11708-025-1042-0

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通讯作者简介

焦魁，天津大学讲席教授、博士生导师，国家储能技术产教融合创新平台常务副主任，英国皇家化学学会会士(FRSC)和工程技术学会会士(FIET)，国际绿色能源协会(International Association for Green Energy)理事会成员与储能分会(Energy Storage Division)主席，国际期刊Energy and AI创刊副主编，International Journal of Green Energy副主编，Frontiers in Energy Research栏目主编(Energy Storage)，IEEE Transactions on Transportation Electrification, Applied Energy, Digital Chemical Engineering, Energy Advances等期刊编委。主要从事燃料电池、电解池、锂电池、温差发电器、内燃机、燃气轮机等装置中能量存储、转换、利用等问题的研究工作，针对燃料电池等电化学能量转换装置建立了知识产权自主可控，全流程、高效、高精度，可用于正向设计与实时控制的仿真模型和软件，获授权发明专利和软著40余项，在计算精度、计算效率和适用性等方面均达到了国际领先水平，应用于一汽、东风、上汽、广汽、博世、中汽中心、潍柴、中国船舶、长城等数十家国内外领军企业的产品研发，经济和社会效益显著。

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Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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