近日，华北电力大学国家储能技术产教融合创新平台/新型储能技术北京实验室/能源电力创新研究院刘建国、李佳团队依托国家重点研发专项《高性能船用燃料电池动力系统研究》、国家自然科学基金面上项目《过渡金属掺杂的铂纳米团簇催化剂的制备及低铂膜电极工艺研究》和国家自然科学基金重点项目《面向富氧空气的燃料电池系统多尺度设计及性能优化》的支持，在国际顶级期刊Nature Communications在线发表了题为“Ionomer distribution control via thiophene S-modification of carbon support for high-power proton exchange membrane fuel cells”的重要研究论文。

本研究提出了一种通过S改性碳载体调控催化层离聚物分布的新策略，成功构建高活性、低氧气传质阻力的三相界面。研究团队在碳载体中引入噻吩S（C-S-C），制备了担载型Pt3Co合金催化剂（Pt3Co/S-KB）。该设计在提升催化剂本征活性的同时，更显著促进了离聚物的空间均匀分布，在保证高效质子传输的基础上，大幅降低了氧气在离聚物中的传输阻力，从而使低铂负载的燃料电池实现了性能突破。所提出的S改性碳载体策略不仅拓展了通过碳载体表面改性优化离聚物分布的研究路径，也为催化层三相界面的精细调控提供了新思路，对推动PEMFC的大规模商业化具有重要价值。

图1 PEM催化剂设计策略和不同三相界面的对比图

引入噻吩S后，Pt₃Co/S-KB催化剂性能显著提升，且在高电流密度区改善尤为明显。对比发现，Pt₃Co/KB和商用Pt/C的质量活性分别为0.236 A mgPt⁻¹和0.214 A mgPt⁻¹，仅为Pt₃Co/S-KB的约1/5和1/4.55。质子可及性同样呈现显著差异：Pt₃Co/S-KB最高（93%），其次为Pt₃Co/KB（82%），商用Pt/C最低（73%）。这些差异主要归因于噻吩S的引入有效优化了离聚物在催化层中的均匀分布。

图2 催化层的离聚物分布表征

尤为引人注目的是，离聚物的均匀分布使膜电极在Pt负载量低至0.125 mgPt cm⁻²的条件下，该工作实现了1.06 W cm⁻²@0.67 V的高额定功率密度与8.47 W mgPGM⁻¹的Pt利用效率，性能指标已超越美国能源部（DOE）设定的相关技术目标。

图3 PEM全电池测试

总之，本研究通过在碳载体表面引入噻吩S，提出了一种面向低铂载量燃料电池的催化层三相界面调控新策略。该策略通过噻吩S与离聚物之间的相互作用，在催化剂粒子周围形成了更均匀、厚度适宜的离聚物覆盖层，从而促进了质子与氧气向活性位点的有效传输。本研究为深入理解与精细调控催化层微观三相界面提供了新方法，将推动新一代低铂载量膜电极的开发与应用。

刘建国教授研究团队聚焦氢能科学与工程前沿领域，构建了以PEM电解制氢、碱性电解制氢和燃料电池为核心的特色研究体系。团队面向国家重大战略需求，围绕氢能“制取-存储-利用”全链条关键技术，重点突破新型电催化剂设计合成、高性能膜电极组件开发、电堆系统集成优化、波动工况响应机制及寿命提升等核心科学问题。在人工智能辅助材料设计、系统优化运行控制、关键材料器件制备工艺等方面实现重要突破，显著提升了电解制氢系统的效率与稳定性。近年来，团队依托国家储能技术产教融合创新平台，在国际顶级期刊Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Applied Energy等期刊发表系列高水平学术成果。本论文第一作者为博士生张斯奥，刘建国为指导教师。

初审：李 佳

复审：刘建国

审核：徐 超

责任编辑：陈昀睿