离子自由电化学能转换的质子-电子耦合催化剂
材料科学
2026-05-26 v1 介观与纳米尺度物理
摘要
高效的电化学能设备对可再生能源技术至关重要，但协调电子、离子和化学物种的有效流动持续是主要挑战。传统质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化剂层中，质子和电子通过孔隙碳网络和离子聚合物提供，使催化剂基本上是被动的，并在 reactant 可及性、离子导电性和催化活性之间施加根本性权衡。本文引入一种一维质子-电子耦合催化剂（Proton-electron Coupled Catalyst, PECC）设计，这是一种集成了传输的电化学催化剂结构，其中催化剂本身同时为催化活性位点提供电子和质子传输。使用该 PECC，PEMFC 可具备离子自由阴极催化剂层（CCL），实现了 95% 的非 Fickian 氧气传输降低，分别比传统 CCL 提升 34% 和 85% 的功密度，阴极 Pt 负载分别为约 0.090 mg/cm^2 和 0.037 mg/cm^2。此外，PECC 在质子导电性上保持 65% 的质量活性，并在 30k 次加速应力测试后，比其离子基 CCL 高出 32% 的功密度。类似的质子传输改进也见于使用 PECC 的电化学氢泵（EHP）的催化剂层中。分子动力学模拟表明，PECC 的质子导电性比 Nafion 高出 249%。这种 PECC 催化剂结构解决了 PEMFC 中的核心传输问题，实现了约 20% 的燃料效率提升，并为设计高性能、具成本效益的电化学设备开辟了新可能。
引用
@article{arxiv.2605.24757,
title = {Proton-electron coupled catalyst for ionomer-free electrochemical energy conversion},
author = {Ao Zhang and Ran Wang and Mohammed O. Bazaid and Shiyi Wang and Ting-Jung Hsiao and Yibo Wang and Antonio Sorrentino and Yang Liu and Yu-Han Joseph Tsai and Boxuan Zhou and Bosi Peng and Zeyan Liu and Xiangfeng Duan and Adam Z. Weber and William A. Goddard and Seung Soon Jang and Yu Huang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.24757},
year = {2026}
}