研究背景
燃料电池的商业化进程受限于阴极氧还原 (ORR) 的效率，该效率主要由 Pt 基催化剂催化提升。尽管新型催化剂研发有所进展，但减少 Pt 载量同时保持高性能仍是挑战。核心难题在于实验室条件下催化剂的高活性难以在实际膜电极组件中复现，这归因于 ORR 发生在复杂的三相界面上。
离聚物在催化层三相界面中起质子传递的作用，然而其磺酸基团易吸附在 Pt 催化剂上，引发中毒效应并阻碍 O₂ 扩散，进而增大传质阻力。因此，解决离聚物诱导的催化剂中毒问题对于提升燃料电池整体性能至关重要，但目前磺酸基团与催化剂间的相互作用机制及其对三相界面结构与性能的具体影响仍待深入探究。
研究内容
图 1. (a) Pt-Nafion 结构的能量、S-Pt 表面之间的距离以及 Nafion 离聚物的长度随 Nafion 离聚物到 Pt 表面的距离变化；(b) 接触和非接触结构中的 Pt/离聚物/水界面结构；(c) 磺酸基的硫原子(S)和氧原子(O)与 Pt 表面的距离变化；(d) 差分电荷密度(等值面为 0.0003 e·Å−3；青绿色表示电子缺失，黄色表示电子聚集)，Pt 表面平均 Bader 电荷，费米能（E-Fermi），功函数（WF）；(e) 接触和非接触结构中静电势的分布。
图 2. (a) Pt-H (H₂O) 和 Pt-O (H₂O) 的 RDF；(b) 水数密度及其在不同范围内的比例分布；接触 (c) 和非接触 (d) 结构中 H₂O 分子的 costθ 的二维密度分布图；接触 (e) 和非接触 (f) 结构中氢键长度的二维密度分布图。
图 3. (a) ORR 基元步反应路径；在接触和非接触结构中，各基元步反应的自由能和键长变化图：(b) O₂ 扩散；(c) *OO + H⁺ + e⁻ → *OOH; (d) *OOH + H⁺ + e⁻ → *O + H₂O; (e) *O + H⁺ + e⁻ → *OH; (f) *OH + H⁺ + e⁻ → H₂O。
图 4. 在接触式和非接触式结构中，(a) ORR 各基元步反应动力学能量势垒汇总；(b) 交换电流密度；(c) LSV 曲线。
总结展望
本研究中，明确了磺酸基团的位置对 Pt／离聚物／水界面上的电子结构、双电层结构、氢键网络以及 ORR 活性机理的影响。研究表明，与接触式结构相比，在非接触式结构中，位于 OHP 边缘的磺酸基团在 HP 中形成了理想的 Pt／离聚物／水界面，具有更多的活性位点，强大的界面电场和连续的氢键网络，从而显著提高了 ORR 的活性。
这不仅为固-固-液界面对 ORR 性能的影响提供了有价值的见解，还可以为微三相界面的设计和精确调控提供理论基础。该成果以“Influence of the Pt/ionomer/water interface on the oxygen reduction reaction: insights into the micro-three-phase interface” (《Pt/离聚物/水界面对氧还原反应的影响：微三相界面的见解》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Science 上。
论文信息
Influence of the Pt/ionomer/water interface on the oxygen reduction reaction: insights into the micro-three-phase interface Shangkun Jiang§, Qiong Xiang§, Zhuoyang Xie, Na Yang, Jiawei Liu, Li Li* (李莉，重庆大学), and Zidong Wei* (魏子栋，重庆大学) Chem. Sci., 2024, 15, 19290-19298
https://doi.org/10.1039/D4SC06600F
作者简介
期刊介绍
rsc.li/chemical-science
Chem. Sci.
| 2-年影响因子* | 7.6分 |
| 5-年影响因子* | 8.0分 |
| JCR 分区* | Q1 化学-综合 |
| CiteScore 分† | 14.4分 |
| 中位一审周期‡ | 33 天 |
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Editor-in-Chief
Andrew Cooper
🇬🇧 利物浦大学
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