直接硼氢化物燃料电池采用硼氢化物水溶液燃料，理论能量密度远高于氢燃料电池，燃料储运安全、加注便捷，在特种电源、固定式发电等领域具备巨大应用潜力。
近日，燃料电池研究所柯长春研究员团队提出电子－几何协同调控策略，利用有序铂基金属间化合物（IMCs）同时调控反应中间体吸附能与活性位点几何排布，破解了长期制约该技术发展的电氧化活性－选择性权衡难题。研究成果以“Synergistic electronic-geometric regulation of Pt-based intermetallics resolves the activity-selectivity trade-off in borohydride oxidation”为题发表在Nature Communications上。博士生蒋文星为论文第一作者，柯长春研究员、化学化工学院庄小东研究员为共同通讯作者，上海空间电源研究所参与合作。
技术痛点：高潜力液体燃料遭遇“活性－选择性”两难
直接硼氢化物燃料电池以硼氢化物为燃料，理论能量密度达9946 Wh L-1，高于氢燃料电池（1479 Wh L-1，69 MPa）和甲醇燃料电池（4820 Wh L-1），燃料储运安全、加注便捷。从动力能源角度看，硼氢化物燃料的理论性能十分优异，但实际应用长期受限于阳极反应的活性－选择性权衡难题：理想条件下BH₄⁻通过8电子转移完全氧化，将化学能最大限度转化为电能，但传统铂基催化剂容易诱发副反应，燃料尚未充分发电就以氢气形式耗散流失，造成能量浪费；高活性催化剂会加剧析氢损耗，同时高选择性催化剂输出功率不足，活性与选择性难以兼顾，成为直接硼氢化物燃料电池走向实用的关键阻碍。单一的电子调控或者几何调控手段，均无法破解这一矛盾。
创新策略：电子－几何协同调控，构筑有序铂铁金属间化合物
图1 电子－几何协同调控机制（8e-BOR：8电子硼氢化物氧化反应；i-BOR：不完全氧化反应）
针对上述难题，研究团队设计合成了一系列有序Pt基金属间化合物（Pt-M，M=Fe、Co、Ni、Cu、Mn）。与无序合金不同，有序IMCs同时具备明确的原子晶格（可实现几何隔离）和较强的金属—金属轨道相互作用（可实现电子调控）。以Pt-Fe IMC为代表，X射线衍射（XRD）与球差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）证实其具有L12型有序结构。电化学测试表明，Pt-Fe IMC在0.8 V vs. RHE下质量活性为624.8 A g-1，电子转移数为7.72，接近理论8电子值，明显高于Pt/C催化剂（5.63），与高选择性Au/C催化剂（7.70）相当。
结合密度泛函理论计算、原位差分电化学质谱（DEMS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR），研究团队阐明了电子—几何协同调控的作用机制。电子调控上，Pt-Fe轨道耦合使Pt的d带中心下移0.37 eV，减弱了触发不完全氧化的关键前驱体BH2*的吸附，从热力学上推动反应沿8电子路径进行。几何调控上，有序晶格中Fe原子的规则排布打断了连续Pt—Pt位点，使相邻吸附H*的间距远大于H-H键长，从动力学上抑制了H2释放。DEMS检测到Pt/C电极产生较强H2信号，而Pt-Fe IMC表面几乎没有氢气生成，直接验证了协同调控的作用。
电池验证：单电池功率密度超常规氢燃料电池，实现千瓦级电堆放大
图2 直接硼氢化钠燃料电池性能
图3 直接硼氢化钠燃料电池电堆
在电池层面，以Pt-Fe IMC为阳极的DBFC单电池峰值功率密度达到1208 mW cm-2，比商业常压质子交换膜燃料电池（890 mW cm-2）高36%，是商业直接甲醇燃料电池（75 mW cm-2）的16倍。燃料利用率为60.3%，超出Pt/C阳极（29.4%）的两倍；140小时恒流稳定性测试中衰减率仅72 μV h-1。研究团队还搭建了含10节单电池、单片面积280 cm2的工业电堆，室温下输出功率超过1.3 kW，验证了该技术从实验室走向实际应用的可行性。
该工作通过电子－几何协同调控，破解了直接硼氢化物燃料电池中长期存在的活性－选择性权衡难题，为高能量密度液体燃料电池的实用化发展提供了新的催化剂设计思路。其中采用的中间体吸附能调控与反应位点几何隔离协同方法，也为其他复杂多路径电催化体系的选择性调控提供了参考。
研究得到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会重点技术研发计划和中国博士后科学基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76317-6
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