2026年7月2日，北京大学徐冰君教授、常晓侠副研究员与北京化工大学曹达鹏教授团队在Nature Catalysis上发表了一项重磅研究。他们发现一类源自茶碱的有机分子——7-烷基茶碱类化合物，能够同时实现两项关键功能：显著提升氧还原反应（ORR）本征动力学，以及有效抑制强吸附阴离子对铂表面的“毒化”。论文共同第一作者为赵凯悦、傅林轲、乔泽龙。
研究背景
质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，阴极氧还原反应（ORR）的动力学迟缓一直是制约性能的瓶颈，ORR至今仍高度依赖铂基贵金属催化剂。
然而，铂的困境不止于此。在实际膜电极（MEA）环境中，Nafion离聚物中的磺酸根会强吸附在铂表面，占据活性位点；在磷酸燃料电池体系中，磷酸根同样表现出强烈的吸附行为。这些强吸附阴离子像一群“不速之客”，在铂表面“霸座”，导致大量活性位点被阻塞。
以往的策略多聚焦于调控铂合金成分或降低铂载量，但在真实MEA环境中，铂表面仍不可避免地暴露于复杂的离聚物/电解质界面。如何通过界面分子设计，同时实现“赶走捣乱者”和“激活催化剂”，正是这项研究的核心命题。
核心创新：一分子，两功能
研究团队提出了一类7-烷基茶碱分子添加剂（以7-乙基茶碱ETP为代表）。这类分子拥有亲水的1,3-二甲基尿嘧啶结构单元和疏水的烷基咪唑结构单元，可在铂表面形成稳定吸附。
它的作用并非简单“遮挡毒化阴离子”，而是具备双重功能：
功能一：ETP等分子吸附在铂表面后，能促进ORR关键步骤中 *O → *OH 的转化，提升铂表面的本征ORR动力学；
功能二：ETP能有效抑制Nafion磺酸根、磷酸根、硫酸根等强吸附阴离子在铂表面的特异吸附，缓解实际燃料电池环境中的界面中毒问题。
图文解读
1.活性筛选：ETP让ORR活性飙升6.6倍
研究团队首先在Pt(111)单晶模型电极上系统比较了多种有机分子的作用。实验采用电化学工作站进行循环伏安（CV）和ORR极化曲线测试，工作电极为Pt(111)单晶电极，参比电极为可逆氢电极（RHE），对电极为铂丝。
结果发现，单独的1,3-二甲基尿嘧啶或烷基咪唑提升效果有限，而将两类结构单元结合后的7-烷基茶碱表现出显著的协同效应。ETP在10⁻⁶ M浓度下即可使Pt(111)在0.1 M高氯酸中的ORR动力学电流提升约6.6倍——说明这类分子不只是简单吸附，而是真正调控了铂表面的反应动力学。
2.原位红外：ETP在铂表面“站稳脚跟”
团队利用原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）对ETP的吸附行为进行了实时追踪。该技术通过在红外透光晶体（如Si或ZnSe）表面镀上金属薄膜，利用红外光的全反射特性增强表面吸附分子的振动信号，能够在电化学反应过程中原位监测界面物种的变化。实验在傅里叶变换红外光谱仪上进行，配备ATR附件和电化学池。
原位红外结果显示，加入ETP后铂表面出现多个属于ETP吸附态的振动峰，同时界面水的信号发生变化，表明ETP的吸附使铂界面更加疏水。更令人惊讶的是，即使通入强吸附的CO，ETP的部分振动峰虽减弱但并未完全消失——这说明ETP与铂之间具有相当强的相互作用力。
3.扩展电位CV：ETP加速*O→*OH转化
在较慢扫速下，Pt(111)上的 *O → *OH 转化峰可被清晰分辨。利用电化学工作站进行扩展电位窗口的循环伏安扫描，研究人员发现：加入MTP或ETP后，该还原峰变得更加清晰并出现在更正的电位，说明该转化过程被显著加速。相比之下，单独的分子结构单元无法产生类似效果。
这揭示了7-烷基茶碱提升ORR活性的重要原因——它加快了铂表面关键含氧中间体的转化步骤。
4.器件验证：PEMFC功率密度提升20%
在Nafion覆盖的Pt(111)上，循环伏安结果显示ETP显著削弱了磺酸根相关的CV峰，同时ORR极化曲线明显改善。
更关键的是在实际H₂–O₂质子交换膜燃料电池中的验证。将0.1 wt% ETP加入Pt/C催化剂墨水后，采用燃料电池测试系统进行器件性能评估：
峰值功率密度由1.74 W cm⁻²提升至2.09 W cm⁻²，提升约20%；
0.9 V下质量活性由0.30 A mgPt⁻¹提升至0.51 A mgPt⁻¹，提升约70%。
5.磷酸体系：活性提升30倍
在含磷酸的酸性电解液中，磷酸根会强烈吸附并阻塞铂表面。加入ETP后，通过循环伏安可观察到磷酸根吸附特征几乎消失，ORR活性大幅提升。
0.85 V处动力学电流提升约30倍。在磷酸燃料电池中，含0.4 wt% ETP的Pt/C阴极在0.6 V下电流密度提升约45%——说明该策略不仅适用于Nafion体系，也适用于高温磷酸体系。
6.DFT计算：从分子层面揭示原因
团队利用密度泛函理论（DFT）计算揭示了ETP的作用机制。计算在第一性原理计算软件（如VASP）上进行，采用周期性平板模型模拟Pt(111)表面，通过计算反应中间体的吸附能和反应能垒来分析ETP的影响。
结果显示，在裸Pt(111)上，O → OH是ORR中较为困难的步骤；引入ETP后，该步骤的上坡自由能由0.74 eV降至0.36 eV，动力学活化能由0.64 eV降至0.37 eV。这说明ETP能够削弱邻近O与铂的结合，促进O质子化生成OH*，从分子层面完美解释了实验中ORR动力学增强的原因。
实验仪器与方法总结
本研究涉及的核心实验手段与仪器如下：
电化学活性评估主要依托电化学工作站（搭配旋转圆盘电极RDE），采用三电极体系（Pt(111)单晶工作电极、可逆氢电极RHE参比、铂丝对电极），用于循环伏安（CV）、ORR极化曲线及动力学电流的测定。
界面吸附行为与界面水环境分析借助原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS），该技术集成于傅里叶变换红外光谱仪，并配备特制原位电化学池（Si/ZnSe晶体镀金属薄膜），可在反应过程中实时捕捉ETP吸附态振动峰及界面水信号变化。
实际燃料电池器件性能验证在燃料电池测试系统上进行，搭配膜电极组件（MEA），用于采集H₂–O₂ PEMFC的极化曲线、峰值功率密度及质量活性数据。
理论计算与微观机制解析采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，基于VASP等计算软件构建Pt(111)周期性平板模型，系统计算反应中间体的吸附能、自由能变化及动力学活化能垒。
这项研究的精妙之处在于：从分子设计的源头出发，同时在“加速反应”和“抵御干扰”两个维度上做文章。7-烷基茶碱类分子添加剂的发现，为燃料电池界面工程提供了一个全新的工具箱——从单晶模型体系到实际膜电极器件，从高氯酸体系到磷酸体系，均展现出优异的普适性。
正如研究者所言：“电极-电解液界面的理性设计，是实现高效ORR的核心所在。”而这项研究，正是对这一理念的生动诠释。
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论文信息：Kaiyue Zhao, Linke Fu, Zelong Qiao, et al.Bifunctional molecular additives enable efficient oxygen reduction reaction on platinum electrodes in the presence of strongly binding anions.Nature Catalysis, 2026. DOI: 10.1038/s41929-026-01569-w
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