通过类氢脆辅助热活化合成原子分散催化剂以用于酸性氧还原

将金属原子转变为高效助力

燃料电池可将氢转化为电能且仅释放水，但关键的氧还原反应需要昂贵且有时脆弱的催化剂来加速。该研究展示了一种新方法，将钌、钯、铂和金等贵金属布置为碳载体上的孤立单原子，使其在用金量大幅减少的同时更高效、更耐用。该工作借鉴了氢能削弱金属的概念，并将其用于构建更好的清洁能源器件催化体系。

为何单原子重要

在许多燃料电池和电池反应中，铁、钴、锰等金属已作为孤立原子用于精确催化化学步骤。若将同样策略应用于更重的金属如钌和铂，可大幅提升性能，但这些金属相互吸引、易聚集成簇或纳米颗粒。聚集后，仅表面原子参与反应，许多昂贵的材料被浪费。挑战在于将这些金属分离为单个原子并在制备实用催化剂所需的高温下防止其重新聚合。

利用氢将簇体拉开

研究者从氢脆这一著名问题中获得灵感：氢会渗入金属并导致开裂。在他们的设计中，小尺寸贵金属簇被包埋在多孔的富氮碳材料中。当材料在氢气流中加热时，氢原子渗入金属簇并略微推开金属原子。计算显示，这种含氢状态降低了金属原子离开簇并迁移到碳中附近氮位点的能垒。高分辨电子显微镜和X射线技术的实验结果证实，随着温度升高，金属簇逐渐缩小并最终消失，取而代之的是每个被四个碳中氮原子结合的孤立单原子。

钌催化剂在强酸环境下的表现

为测试该策略在实际器件中的效果，团队以钌作为酸性条件下氧还原反应的模型金属——这正是许多质子交换膜燃料电池内部的苛刻环境。在950摄氏度氢气处理样品中产生了高密度的单一钌位点，其氧还原活性远高于未用氢处理的材料。在旋转圆盘电极测试中，其性能接近商用铂催化剂，并几乎实现氧向水的完整四电子转化，过氧化物副产物极少。钌催化剂在3万次测试循环后仍保持活性，远超最先进的基于铁的催化剂。

从模型催化剂到工作燃料电池

随后，团队将氢处理的钌催化剂用于燃料电池阴极并组装成整电池。在实用的氢-空气工况下，这些电池的功率输出与许多已报道的非铂、非铁体系相当或更高，且效率良好。重要的是，在模拟重负荷使用的3万次快速电压波动后，基于钌的电池仍保留了超过80%的峰值功率，而基于铁的电池损失约一半。进一步的化学测试与模拟表明，钌位点与碳的结合更紧密且较少产生可损伤载体和离子传导膜的活性物种。

面向未来清洁能源材料的新配方

对非专业读者而言，主要结论是：在热处理过程中谨慎使用氢可温和地将贵金属簇劈散，并将释放的原子锚定到稳定的载体上。这个简单想法把一种不利的金属弱化效应转变为构建高效且寿命长的催化剂的工具，同时大幅减少昂贵金属的用量。由于该方法同样适用于钯、铂和金，它为设计更优燃料电池及其他依赖高效氧反应的能源技术材料提供了一条通用路线。

引用: Guo, P., Dai, Y., Zhang, Y. et al. Synthesis of atomically dispersed catalysts via hydrogen embrittlement-like assisted thermal activation for acidic oxygen reduction. Nat Commun 17, 4701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71340-z

关键词: 单原子催化剂, 氧还原, 燃料电池, 钌催化剂, 氢处理