顶级期刊发表！哈工程突破氢电池研发瓶颈
在“双碳”目标驱动下，氢能已成为能源转型的关键抓手。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为氢能利用的核心器件，其性能直接决定了产业化进程。然而，阴极氧还原催化剂的活性与稳定性瓶颈，正是当前亟待突破的关键所在。近日，哈尔滨工程大学材化学院杨飘萍教授、贺飞教授团队联合香港理工大学张晓助理教授，在PEMFC阴极催化领域取得重要研究突破。团队提出以稀土元素钇为核心的纳米合金结构调控新策略，构建“稀土掺杂—晶面工程—电子结构协同重构”的完整研发链条，显著提升了催化材料的氧还原（ORR）催化活性与结构稳定性，为PEMFC的实际规模化应用奠定了材料基础。相关成果以“具有工程化(111)晶面的Y掺杂PtFeNi中熵纳米合金促进氧还原反应” 为题，发表在材料领域国际顶级期刊《先进材料》上（Advanced Materials）。材化学院2023级博士生高一钧为论文第一作者，贺飞教授，杨飘萍教授，张晓助理教授为共同通讯作者，哈尔滨工程大学为第一单位。
Y-PFN材料合成、表征及器件性能对比
质子交换膜燃料电池以H2和O2为反应物，生成H2O，是一种极具前景的绿色能源转器件。然而，其大规模应用面临一个核心难题：阴极处氧还原反应的本征速率较慢，严重降低电池整体性能。为了解决这个问题，团队致力于改进阴极铂合金催化剂，通过精细调控其成分和形貌等，提升催化反应速率。
目前，稀土元素掺杂是一条很有希望的技术路线，也取得了喜人的进展。然而稀土元素影响催化剂晶体生长和结构演化的作用机制尚不清楚，即缺乏理论性、规律性的结论。更重要的是，目前的合成方法往往较为复杂，产业化潜力较小。以上问题极大限制了这类新型催化剂的设计和应用。
针对上述核心问题，贺飞教授、杨飘萍教授与张晓助理教授团队创新设计“稀土掺杂诱导晶面定向暴露”的调控策略，大幅提升了铂基合金材料的氧还原催化性能。该研究解决了传统铂基合金催化剂 “活性提升与结构稳定难以兼顾&纳米颗粒表面结构难以长效保持” 的领域难题。在燃料电池阴极实际工作条件下，团队研发的稀土钇掺杂铂基中熵纳米合金实现了催化性能的精准激活：通过稀土钇掺杂诱导纳米颗粒定向形成并稳定暴露 (111) 活性晶面，同时协同调控材料局域电子结构，形成 “晶面诱导+电子云调控” 的双重作用，显著优化了反应界面的吸附与转化过程，实现了催化活性与结构耐久性的高效平衡。研究团队进行了燃料电池器件层面的性能验证，证明了其在实际场景中的应用潜力，实现了 “理论设计—精准合成—应用验证” 的贯通式研究推进，为稀土掺杂纳米合金在新能源器件产业化中的应用提供了重要参考。
本研究为下一代新能源动力系统的发展提供了关键核心材料支撑。在长途运输领域，该催化剂通过稳定的(111)晶面长效保持，显著抑制了纳米颗粒在复杂工况下的团聚流失，有望为氢能商用车的商业化铺平道路；在固定式发电与分布式能源领域，稀土元素的引入增强了催化剂的抗腐蚀能力，使其适用于MW级发电站的长时连续运行，支撑新型电力系统建设；在轨道交通、氢能船舶及无人机航空等新兴动力装备领域，其“晶面诱导+电子云调控”的双重机制有望在低铂载量下实现更高功率密度，为对重量和空间敏感的低空经济飞行器、水下潜航器等高价值装备提供技术选项；此外，随着理论机制的明晰，该研究有望指导未来更高效的低铂催化剂设计，从材料源头降低电堆成本，进而刺激绿氢制取、储运、加注等环节发展，加速氢能经济闭环。
期刊简介
《先进材料》(Advanced Materials, AM) 是 Wiley出版集团旗下的核心旗舰刊物，为材料科学领域国际顶级期刊，JCR分区为一区，其2025年影响因子为 26.8。
杨飘萍，哈工程教授，长期致力于功能纳米材料的可控合成及其在生物医学、能源催化等领域的应用研究。带领团队聚焦于肿瘤治疗新方法、新材料及新机制的研发，尤其是在压/热/铁电催化治疗、铁死亡与肿瘤免疫治疗的交叉领域取得了系列创新成果。在《自然·通讯》、《科学·进展》、《美国化学会志》、《先进材料》、《化学评论》等期刊发表论文400余篇，其中ESI高被引论文累计40余篇，他引3.8万余次，h指数101，连续多年被评为科睿唯安/爱思唯尔全球高被引科学家。
本文来自“哈尔滨工程大学科学技术研究院”
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