巴西研究團(tuán)隊(duì)在《離子學(xué)》（Ionics）期刊發(fā)表Zui新成果，成功合成兩種負(fù)載于碳載體的四元鉑基電催化劑（PtSnNiRu與PtSnNiGa），用于乙醇電化學(xué)重整制氫。其中含釕體系Pt61Sn3Ni17Ru19/C表現(xiàn)出系列Zui低起始氧化電位，峰值電流密度達(dá)53.97 mA cm?2且表面中毒速率Zui慢；富鎵體系Pt37Sn8Ni16Ga39/C則實(shí)現(xiàn)97.1%的法拉第效率。該研究為突破傳統(tǒng)水電解能耗瓶頸、降低綠色氫氣生產(chǎn)成本提供了新材料路徑。

水電解制綠氫目前面臨陽極析氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢的瓶頸，約90%的能耗被陰極產(chǎn)氫側(cè)占用。以乙醇替代水進(jìn)行氧化可大幅改變熱力學(xué)條件：反應(yīng)電位可從水電解所需的1.23 V降至約0.6 V，且每摩爾乙醇釋放的氫氣量是水電解的三倍。理論上，理想狀態(tài)的乙醇電重整裝置能耗僅為水分解體系的五分之一左右。

然而，鉑基催化劑在堿性介質(zhì)中易快速失活。在約0.6 V電位下，乙醇無法完全轉(zhuǎn)化為二氧化碳，一氧化碳等強(qiáng)吸附碳質(zhì)中間體會(huì)大量積累并堵塞活性位點(diǎn)，導(dǎo)致反應(yīng)轉(zhuǎn)向乙酸等部分氧化產(chǎn)物，直至電位升至0.6 V以上才能通過生成Pt–OH/Pt–O物種清除積碳。為同時(shí)解決成本與中毒問題，研究團(tuán)隊(duì)采用多金屬協(xié)同策略，將鎳的醇類轉(zhuǎn)化促進(jìn)能力、釕的CO共催化氧化優(yōu)勢(shì)以及鎵的高極化穩(wěn)定性引入四元合金體系。

催化劑采用聚合物前驅(qū)體熱分解法制備。經(jīng)酸洗與煅燒處理的Vulcan XC72碳載體與五種金屬鹽的檸檬酸-乙二醇樹脂混合后，在350 °C空氣中煅燒3小時(shí)，得到總金屬負(fù)載量為40%的成品。透射電鏡顯示納米顆粒呈球形團(tuán)聚于碳表面，平均直徑介于4.1至6.1 nm。X射線衍射證實(shí)所有樣品均保持鉑的面心立方結(jié)構(gòu)，錫原子半徑大于鉑導(dǎo)致晶格參數(shù)擴(kuò)大，確認(rèn)為置換型固溶體。能譜分析表明各元素已融入鉑晶格，但實(shí)際成分偏離標(biāo)稱值，富鎵催化劑氧含量高達(dá)75.15%，主要源于前驅(qū)體分解動(dòng)力學(xué)差異及親氧元素向表面偏析成穩(wěn)定氧化物。

在1.0 mol L?1 KOH電解液中的電化學(xué)測(cè)試顯示，純鉑催化劑的乙醇氧化起始電位為0.52 V，而富鎵體系降至0.40 V，含釕體系進(jìn)一步降至0.30 V（負(fù)移120與220 mV）。富鎵催化劑擁有系列Zui高電化學(xué)活性表面積（40 m2 gPt?1），但作者指出含釕樣品的脫附峰可能與氧化 onset 重疊，數(shù)據(jù)僅作內(nèi)部對(duì)比。恒電位測(cè)試（-0.4 V vs Hg/HgO，持續(xù)1小時(shí)）表明，二次金屬在較低電位形成水合氧化物提供氧物種氧化積碳，同時(shí)電子效應(yīng)削弱中間體結(jié)合力。含釕催化劑中毒速率Zui低，殘存電流密度Zui高，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗表面失活能力。

在實(shí)際H型電池電重整驗(yàn)證中，團(tuán)隊(duì)以質(zhì)子交換膜分隔，陽極使用碳布負(fù)載催化劑，陰極采用商用鉑黑碳布，施加約4.0 V電壓運(yùn)行30分鐘。含釕體系產(chǎn)氣量Zui大（12.0 mL），流速達(dá)0.40 mL/min（工作電流60 mA）；富鎵體系雖受高氧含量導(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移電阻影響動(dòng)力學(xué)稍遜，但法拉第效率仍居首位（97.1%）。作者強(qiáng)調(diào)，當(dāng)前結(jié)果仍屬實(shí)驗(yàn)室階段，峰值電位可能受未補(bǔ)償電阻輕微偏移，文獻(xiàn)對(duì)比因電解質(zhì)與負(fù)載量差異僅具定性參考意義，且1小時(shí)穩(wěn)定性窗口部分出于避免鎳、鎵等非貴金屬浸出的風(fēng)險(xiǎn)考量。盡管如此，該四元鉑合金通過降低起始電位、提升產(chǎn)氣量并保持活性位點(diǎn)清潔，為基于生物乙醇的低成本制氫提供了切實(shí)可行的技術(shù)方向。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-23。本文為資料編譯。