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华电要闻
全民牛牛官网栏目导航刘建国、李佳、李晓克团队在《Energy & Environmental Science》发表富氧燃料电池研究成果
发布时间：2026-08-31
供稿单位 ：能源电力创新研究院
日前，全民牛牛官网栏目导航全民牛牛官网栏目导航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、李晓克团队依托全民牛牛官网栏目导航重点研发专项《热电联供用燃料电池衰减机制及长寿命技术研究》、全民牛牛官网栏目导航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》和中央高校基本科研业务费专项资金的支持，在国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》以封底论文的形式，在线发表了题为《Unlocking performance limits and maximizing Pt utilization in ultra-low loading PEMFCs via oxygen enrichment and interface engineering》的重要研究论文。 继续浏览
该工作聚焦超低铂负载质子交换膜燃料电池（PEMFC），发现氧气富集能有效缓解其存在的质量传输限制问题。 同题参见并进一步揭示活化极化是富氧条件下制约性能的主要因素。该工作首次系统性地探索了“富氧操作”作为超低铂PEMFC全新操作的科学内涵与实践路径。
图1.氧浓度对PEMFC极化特性和性能的影响
研究发现，氧气富集具有双重作用：一方面缓解低Pt负载MEA的质量传输瓶颈，显著降低浓差过电位；另一方面提升本征反应速率。 继续了解降低活化过电位。在2 A cm-2下，氧浓度由21%提高至40%和100%时，浓差过电位分别降低71.5%和98.7%。
图2. 超低Pt负荷MEA在富氧条件下的优势和特征指标
进一步研究发现，引入富氧空气使得阴极0.025 mgPt cm-2超低载量MEA的Pt利用率接近30 W mgPt-1，，Pt cm-2时，Pt利用率明显下降，表明活性位点绝对数量不足开始成为新的性能瓶颈。
图3. 对三相界面进行调制，以提升超低Pt载量MEA的性能
在富氧条件削弱传质限制后，活化极化成为主要限制因素。为此，团队提出“双重优化”策略：一方面采用PtCo/C催化剂提升本征ORR活性，另一方面通过利用短侧链（SSC）离聚物优化三相界面，提高Pt位点可及性并降低物质传输阻力。最终，0.025 mgPt cm-2的超低载量下PtCo/C–SSC膜电极实现 2.35 W cm-2峰值功率密度和58.87 W mgPt-1的Pt利用率，并在0.67 V下连续运行120 h未观察到明显性能衰减。高Pt利用率与稳定性的同步实现表明，通过协同提升催化剂本征活性、优化三相界面并改善反应物传输，可在大幅降低贵金属用量的同时维持高功率输出和稳定运行，为开发高性能、低成本且具有商业应用潜力的PEMFC提供了有效路径。
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。团队面向全民牛牛官网栏目导航重大战略需求，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。团队依托全民牛牛官网栏目导航储能技术产教融合创新平台在国际权威期刊《NatureCommunications》《Angewandte Chemie International Edition》《Energy & Environmental Science》等发表系列高水平学术成果。
初审：李 佳
复审：薛晓州
审核：徐 超
责任编辑：陈昀睿
日前，全民牛牛官网栏目导航全民牛牛官网栏目导航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、李晓克团队依托全民牛牛官网栏目导航重点研发专项《热电联供用燃料电池衰减机制及长寿命技术研究》、全民牛牛官网栏目导航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》和中央高校基本科研业务费专项资金的支持，在国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》以封底论文的形式，在线发表了题为《Unlocking performance limits and maximizing Pt utilization in ultra-low loading PEMFCs via oxygen enrichment and interface engineering》的重要研究论文。 继续浏览
该工作聚焦超低铂负载质子交换膜燃料电池（PEMFC），发现氧气富集能有效缓解其存在的质量传输限制问题。 同题参见并进一步揭示活化极化是富氧条件下制约性能的主要因素。该工作首次系统性地探索了“富氧操作”作为超低铂PEMFC全新操作的科学内涵与实践路径。
图1.氧浓度对PEMFC极化特性和性能的影响
研究发现，氧气富集具有双重作用：一方面缓解低Pt负载MEA的质量传输瓶颈，显著降低浓差过电位；另一方面提升本征反应速率。 继续了解降低活化过电位。在2 A cm-2下，氧浓度由21%提高至40%和100%时，浓差过电位分别降低71.5%和98.7%。
图2. 超低Pt负荷MEA在富氧条件下的优势和特征指标
进一步研究发现，引入富氧空气使得阴极0.025 mgPt cm-2超低载量MEA的Pt利用率接近30 W mgPt-1，，Pt cm-2时，Pt利用率明显下降，表明活性位点绝对数量不足开始成为新的性能瓶颈。
图3. 对三相界面进行调制，以提升超低Pt载量MEA的性能
在富氧条件削弱传质限制后，活化极化成为主要限制因素。为此，团队提出“双重优化”策略：一方面采用PtCo/C催化剂提升本征ORR活性，另一方面通过利用短侧链（SSC）离聚物优化三相界面，提高Pt位点可及性并降低物质传输阻力。最终，0.025 mgPt cm-2的超低载量下PtCo/C–SSC膜电极实现 2.35 W cm-2峰值功率密度和58.87 W mgPt-1的Pt利用率，并在0.67 V下连续运行120 h未观察到明显性能衰减。高Pt利用率与稳定性的同步实现表明，通过协同提升催化剂本征活性、优化三相界面并改善反应物传输，可在大幅降低贵金属用量的同时维持高功率输出和稳定运行，为开发高性能、低成本且具有商业应用潜力的PEMFC提供了有效路径。
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。团队面向全民牛牛官网栏目导航重大战略需求，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。团队依托全民牛牛官网栏目导航储能技术产教融合创新平台在国际权威期刊《NatureCommunications》《Angewandte Chemie International Edition》《Energy & Environmental Science》等发表系列高水平学术成果。
初审：李 佳
复审：薛晓州
审核：徐 超
责任编辑：陈昀睿
