氢燃料电池的阴极氧还原反应中，铂碳是主流催化剂，但Pt表面覆盖的Nafion离聚物薄膜既是质子传递的通道，也是氧气扩散的屏障——其磺酸基团会强吸附于Pt表面导致催化剂中毒，且离聚物在Pt表面分布极不均匀，局部形成数十纳米厚块严重阻碍氧气到达活性位点。如何既隔绝磺酸根毒化，又保障氧气与质子的高效传输，同时不牺牲Pt的本征活性，是领域内长期未解的难题。
针对这一科学问题，华中科技大学机械科学与工程学院微纳制造中心陈蓉教授与刘潇副教授团队，发展了一种名为“分子层沉积（MLD）”的原子级界面调控策略。该工作证实，通过在Pt纳米颗粒表面精准构筑亚纳米厚度的多孔Zn掺杂碳层，能够在不覆盖活性位点的前提下，有效抑制磺酸根对Pt的毒化作用，并引导离聚物由无序聚集转变为均匀薄层分布，从而同步优化氧传输与质子传导路径。相关成果以“Atomic Scale Porous Zn-doped Carbon Interlayers for High-Performance Pt-Ionomer Interfaces”为题，发表于国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》。微纳中心硕士周卫民为第一作者，通讯作者为刘潇副教授和陈蓉教授。
团队提出了一种原子级界面调控策略，利用分子层沉积技术的逐层生长特性，在Pt纳米颗粒表面选择性构建超薄多孔Zn掺杂碳层。借助于厚度可控和选择性沉积的独特优势，团队以二乙基锌和乙二醇为前驱体，通过精确控制沉积循环数（2/5/8），在Pt/C催化剂上实现了碳层厚度的线性精准调控，每循环仅增厚0.16 nm，最终得到不同厚度的样品。碳层仅选择性地生长在Pt纳米颗粒上，而碳载体表面几乎无沉积。经800℃热处理后，致密的zincone层转化为富含约0.54 nm微孔的Zn掺杂多孔碳网络，比表面积从197.3 2/g提升至226.4 m2/g；同时Zn原子迁入Pt晶格形成PtZn有序金属间化合物，通过晶格应变和电子效应显著提升了Pt的本征ORR活性。这一结构转变被XRD，XPS和BET共同验证。
在电化学性能评估方面，旋转圆盘电极测试显示Pt/C-5C-800的质量活性达0.62 A mgPt⁻¹，是商业Pt/C的4.4倍，Tafel斜率仅50.2mV dec-1，展现出优异的ORR动力学。经过20000圈加速耐久性测试后，Pt/C-5C-800的ECSA损失仅16.4%，质量活性损失仅20.1%，半波电位负移仅5 mV，而商业Pt/C的ECSA损失高达41.2%，质量活性衰减68.8%，半波电位负移57 mV，PtZn合金的锚定效应加上多孔碳层的物理保护显著提升了催化剂的稳定性。
在离聚物分布调控方面，透射电镜结合元素面扫显示，未修饰的Pt/C催化剂上离聚物呈严重的局域聚集态，局部厚度达数十纳米，且元素分布表明离聚物分布不均匀。而在引入碳层后，离聚物则形成了均匀的超薄层，紧密包裹在催化剂周围，F信号与Pt信号高度重叠，证明离聚物被引导至Pt表面形成连续质子传导网络。团队通过CO置换法精确量化了磺酸根在Pt表面的覆盖率，结果显示未修饰Pt/C的磺酸根覆盖率达35.8%，而Pt/C-5C-800降至17.2%，多孔碳层如同一道物理屏障有效阻挡了磺酸根与Pt表面的直接接触。更为关键的是传质性能的定量评估，团队发现Pt/C的局域氧传输阻力为22.8 S m⁻¹，而Pt/C-5C-800降至12.0 S m⁻¹，降幅达47%，干态质子可达性从Pt/C的58%提升至Pt/C-5C-800的69%，连续均匀的离聚物网络确保了质子的畅通无阻。研究进一步揭示，0.45 nm是最佳平衡点，当碳层过薄时对离聚物分布的调控不足，当碳层过厚时碳层本身开始成为新的传质阻力源，只有在0.45 nm时离聚物毒化的抑制效应与碳层扩散阻力之间达到最优平衡，实现氧与质子的双赢。结合系统的结构表征与电化学分析，团队揭示了多孔Zn掺杂碳层提升性能的协同机制。
团队进一步制备了膜电极组件并在全电池中进行验证，在H2/O2工况下Pt/C-5C-800峰值功率密度达1.39 W cm-2，远超Pt/C的1.10 W cm-2和商业Pt/C的1.14 W cm-2，IR校正后0.9 V下质量活性高达0.70 A mgPt-1，超越美国能源部2025年目标。在H2/Air工况下，Pt/C-5C-800在整个电流密度区间均保持更高的电压输出，尤其在高电流密度区无陡降，电化学阻抗谱也证实了其传质阻抗的显著降低。经过30000圈方形波加速耐久性测试后，Pt/C-5C-800在H2/O2下功率密度损失仅100 mW cm⁻²，质量活性损失12.9%，在H2/Air下功率密度损失仅12.4%，远优于Pt/C和商业Pt/C，0.8 A cm-2下电压损失仅15 mV，终点寿命质量活性仍达0.61 A mgPt-1，远超DOE 2025年终点目标。即便经过长周期加速耐久性测试后部分Zn被酸洗脱，多孔碳骨架依然保持完整，继续发挥物理屏障和离聚物调控功能，这解释了催化剂在Zn部分流失后仍能维持优异稳定性的原因。
该工作提出的原子级多孔碳层界面调控策略，能够在不同碳层厚度下定量解析离聚物毒化抑制与碳层扩散阻力之间的权衡关系，从而在不牺牲氧传输的前提下同步优化质子传导。这些发现明确了原子级界面工程在建立催化剂-离聚物界面构效关系中的核心作用，并为理性设计兼具高活性与长耐久性的燃料电池催化层提供了可量化的设计准则。
文章链接：doi.org/10.1016/j.cej.2026.179516
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