新型石墨烯包裹铂纳米催化剂寿命超过20万小时

加州大学洛杉矶分校（UCLA）黄昱教授团队在《自然·纳米技术》发表最新成果，成功开发出一种石墨烯纳米囊包裹的超细铂催化剂。该催化剂在极端测试条件下展现出超过20万小时的理论寿命，突破了燃料电池在重型车辆应用中的关键瓶颈，为交通领域深度脱碳提供新方案。

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混合动力和电动汽车的制造与应用正在加速，推动交通行业脱碳进程。尽管小型车辆可通过锂电池供电，但卡车、大型巴士等重型车辆的电气化仍面临严峻挑战。燃料电池作为通过化学反应发电的装置，被视为重型车辆动力的理想解决方案，其中应用最广泛的质子交换膜燃料电池（PEMFC）通过氢氧反应发电，利用固体聚合物膜将质子从阳极传导至阴极。

然而，现有燃料电池普遍存在寿命短、效率低的问题，这极大阻碍了其在电动或混合动力卡车、巴士等重型车辆中的推广。近日，UCLA 黄昱（Yu Huang）教授团队设计了一种新型铂（Pt）基纳米催化剂，相关成果发表于《自然・纳米技术》。这种催化剂由铂纳米颗粒组成，外层包裹石墨烯 “纳米口袋”，并负载于科琴黑（Ketjenblack）碳材料上，有望提升燃料电池的效率与耐久性。

核心挑战：铂催化剂的稳定性难题

PEMFC 常用的铂及合金催化剂存在固有缺陷：金属原子会逐渐溶解并重新沉积到其他颗粒上，导致颗粒团聚长大，减少催化反应的有效表面积，最终造成燃料电池性能衰退。黄昱教授指出：“我们的研究源于重型车辆（如长途卡车）脱碳的迫切需求，这类车辆需要超长续航和耐用性。燃料电池因系统级质量比能量密度优于电池，成为重型车辆电气化的希望，但催化剂稳定性是主要障碍。”

创新设计：石墨烯 “口袋” 的双重保护

UCLA 团队开发的铂基纳米催化剂采用独特结构延缓降解：超细铂纳米颗粒被包裹在薄而坚韧的石墨烯 “纳米口袋” 中。共同第一作者刘泽岩（音译）解释道：“这些石墨烯口袋能保护铂颗粒不被溶解和团聚，同时将受保护的纳米颗粒限制在碳载体的孔隙内，显著提升其在严苛工况下的稳定性和耐久性。”

突破性性能：超长寿命与高效催化

初始测试显示，新型催化剂表现优异：初始质量活性达 0.74 A mg⁻¹，额定功率密度为 1.08 W cm⁻²。尤为突出的是，经过 9 万次电压循环的加速应力测试后，功率损失小于 1.1%，预计燃料电池寿命超过 20 万小时，远超美国能源部对重型燃料电池的目标。共同第一作者彭博思（音译）表示：“这些指标表明，该催化剂为燃料电池的实际应用提供了前所未有的稳定性。”

未来展望：推动重型车辆脱碳进程

黄昱团队的研究为降低排放、提升交通领域燃油效率迈出重要一步。她补充道：“除了进一步提升铂催化剂的活性和耐久性，我们未来将聚焦优化整个催化电极结构，包括开发先进碳支持材料、创新电极架构和改良离聚物组件，这些对高电流密度性能和燃料电池整体稳定性至关重要。”

目前，UCLA 团队正围绕质子交换膜燃料电池的核心部件 —— 膜电极组件展开深入研究，致力于推动下一代高性能燃料电池的实用化，为重型车辆电气化和全球脱碳目标提供关键技术支撑。

研究详情

论文：Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications，《自然・纳米技术》（2025）。

DOI：10.1038/s41565-025-01895-3

机构：加州大学洛杉矶分校（UCLA）

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