近日，哈尔滨工业大学化工与化学学院电化学工程系孔凡鹏副教授团队在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）关键材料与界面工程领域取得一系列突破性进展，先后在国际知名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表两篇高水平研究论文。团队分别从活性位点自旋调控与催化层界面微环境优化两个维度，系统解决了酸性氧还原反应（ORR）动力学缓慢以及低铂电极中离聚物毒化、传质阻力大等关键瓶颈，为开发高功率密度、长寿命的下一代燃料电池提供了重要的理论依据与技术支撑。
成果一：库伦表面偶极子捕获离聚物优化电极界面微环境
低铂载量膜电极（MEA）是降低燃料电池成本的关键，但在低铂电极中，离聚物在催化剂表面的团聚以及磺酸基团（-SO3-）对Pt活性位点的竞争性吸附毒化，会导致严重的氧气传质阻力和活性位点损失。
针对这一难题，团队提出了利用库仑表面偶极子（Coulombic surface dipole）捕获离聚物的界面工程策略。通过构建基于钴单原子偶极子（Co single-atom dipoles）调控的双功能催化剂（SCDC-Pt），利用强离子-偶极子相互作用将离聚物的磺酸基团牢牢锚定在催化剂外层，防止其毒化内层Pt活性位点。诊断结果显示，SCDC-Pt催化剂表面的表观磺酸基团覆盖率从商业Pt/C的～20%降至～8%，局域氧气传输阻力由48.1 S m-1降至38.6 S m-1，同时促进了离聚物的均匀分散并显著提升了催化层结构的耐久性。
哈尔滨工业大学为第一通讯单位。王思源博士、孔凡鹏副教授为论文第一作者。孔凡鹏副教授、加拿大西安大略大学孙学良院士、广州大学杜磊、哈尔滨工业大学赵勃教授为论文共同通讯作者。
该研究获得中国国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74391-4#Fun
单原子偶极子捕获离子聚合物磺酸根支链的示意图
成果二：自发铁磁性Fe-La孪生原子调控酸性氧还原性能
质子交换膜燃料电池在酸性介质中缓慢的ORR动力学严重制约了其能量转化效率。协同自旋状态和局域配位工程是提升非贵金属Fe-N-C催化剂性能的有效策略，但如何在无外加磁场下构建固有的铁磁自旋排序并实现长效稳定仍面临挑战。
研究团队创新性地引入稀土镧（La）元素替代部分传统d区金属，与铁（Fe）构建了独特的d-f异核孪生原子（geminal-atom）结构（Fe-La/NC）。实验与理论计算表明，La的引入促进了Fe 3d轨道自旋极化的高自旋构型与室温铁磁有序，精准调控了局域电子结构及氧中间体的吸附。此外，La诱导的自旋钉扎效应通过动态自适应机制稳定了活性位点。该催化剂在酸性条件下展现出高达0.92 V的半波电位，在氢氧燃料电池测试中实现了1.9 Wcm-2的峰值功率密度，并在0.67 V下稳定运行100小时保持86%的性能留存率，有效突破了活性与稳定性难以兼顾的“权衡”矛盾。
哈尔滨工业大学为第一通讯单位。孔凡鹏副教授、江西省科学院能源研究所龚青、上海同步辐射光源梅丙宝为论文第一作者。国家纳米中心赵慎龙、中国科学院高能物理研究所董俊才为论文共同通讯作者。
该研究获中国国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金、江西省自然科学基金的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77285-7
Fe-La/NC长程铁磁性高自旋中心
作者介绍：
孔凡鹏，副教授，博士生导师，哈尔滨工业大学青年拔尖人才选聘计划。黑龙江省高层次人才，黑龙江省优秀青年基金获得者，青年科技英才。研究方向：PEM燃料电池与电解水。
王思源，化工与化学学院特种化学电源研究所2022级博士研究生，师从孔凡鹏副教授。主要从事相关领域的科学研究，已在 *Nature Communications* 等国际高水平学术期刊发表SCI论文2篇，获授权国家发明专利1项，另有6项国家发明专利申请已获受理。曾在上海空间电源研究所开展为期一年的科研实习，积累了较为丰富的科研与工程实践经验。
图文：王思源 孔凡鹏
审核：刘光惠 孙永川 王帅普
