随着全球清洁能源转型的深入推进，直接甲醇燃料电池（DMFCs）因其高能量密度、燃料储运便捷、低温启动性能优异等固有优势，在便携式电源、微型移动动力系统及新能源汽车等领域展现出显著应用潜力，已成为燃料电池领域的重点发展方向。甲醇氧化反应（MOR）的动力学效率与稳定性直接制约电池的整体输出功率、能量转换效率及长期运行寿命。然而，当前主流MOR催化剂仍面临两大关键瓶颈：一是，高度依赖Pt基贵金属，且多采用复杂多步合成工艺，导致催化剂制备成本高昂、规模化应用受限；二是，在MOR过程中易生成强吸附态CO中间体，不可逆占据活性位点，引发严重催化中毒，显著加速性能衰减。因此，设计并构建兼具高活性、优异抗CO中毒能力及超低贵金属负载量的新型MOR电催化剂，已成为推动DMFCs走向实际应用亟待解决的核心科学问题与关键技术瓶颈。
针对上述挑战，我校化学化工学院武洪丽副教授团队构建了一种超快速顺序电沉积合成策略，巧妙利用柯肯达尔效应，在碳布（CF）基底上实现了三维空心PtAg合金纳米巢（PtAg NNs/CF）的原位构筑，全过程仅需5秒。该催化剂兼具丰富的缺陷位点、较低的配位数、双金属合金电子调控效应及空心结构传质优势，实现了高催化活性、强抗CO中毒性能、长寿命及低Pt负载量四大目标。相关研究成果以题为“Ultrafast Synthesis of Defect-Rich Pt-Ag Alloy Nanonests Enabling High-Performance Methanol Oxidation Reaction”的研究论文发表于能源化学领域权威期刊《Journal of Energy Chemistry》（非开源中科院一区TOP期刊，影响因子IF=14.9）。
相较于传统制备方法，该合成工艺条件温和、快速高效、无需高温、特殊气氛等苛刻条件，为富缺陷合金电催化剂的设计与规模化可控制备提供了新范式。PtAg NNs/CF催化性能的显著提升源于结构-电子协同效应：其一，PtAg NNs/CF表面富含高密度的缺陷（堆垛层错、晶界、位错、边缘与台阶等），低配位数，为催化剂提供丰富活性位点；其二，Ag的引入引发显著的电子再分布，通过配体效应与应变效应协同下移Pt的d带中心，从而削弱Pt对CO中间体的吸附强度，提升抗中毒能力；其三，采用顺序电沉积策略，通过精确调控Pt与Ag的沉积顺序，在电化学驱动下原位触发柯肯达尔效应，成功构筑具有分级多孔空心纳米巢结构的PtAg NNs/CF；该结构不仅显著增强反应物/产物传质动力学，更通过对关键反应中间体的空间限域与局域浓度调控，优化MOR整体反应路径与能垒。
电化学测试结果表明，该新型催化剂表现出优异的MOR催化性能：在1 mol/L KOH的碱性电解液中，PtAg NNs/CF催化剂质量活性高达23.9 AmgPt-1，是商用20% Pt/C催化剂的29.9倍；经800次循环稳定性测试后，保持率为95.9%，显著优于商用20% Pt/C及40% PtRu/C催化剂。此外，该催化剂电化学活性面积（ECSA）不仅高于商用催化剂，亦优于文献报道的多数Pt基MOR催化剂。该催化剂综合性能优势契合直接甲醇燃料电池向高功率密度、长寿命及模块化集成方向发展的技术需求，有望为便携式能源系统与微型移动动力装备的小型化、实用化提供切实可行的阳极催化解决方案，具备较好的产业化应用前景。
我校化学化工学院2022级本科生赵凯旋与2021级硕士研究生丁灏为该论文共同第一作者，武洪丽副教授、中海油化工与新材料科学研究院张培培高级工程师与新疆大学贾巍教授为本论文共同通讯作者，该研究得到了新疆维吾尔自治区自然基金面上项目（2022D01A173）、天池英才引进计划（2223RSTTCYC）与新疆农业大学高层次人才培养项目（2522GCCRC）的资助。
来源：新疆农业大学科学技术处