我院黄国勇教授团队在铂族金属二次资源高值化利用领域取得新进展
铂族金属是氢能、汽车尾气净化等领域不可或缺的关键战略金属，其资源稀缺、供应集中，推动二次资源的高效回收与高值化利用具有重要意义。废汽车尾气催化剂等二次资源中通常共存铂（Pt）、铑（Rh）等多种铂族金属，传统湿法回收工艺往往需要经过多步分离、提纯及再加工，不仅流程繁琐，而且增加了资源消耗与环境负担。因此，如何充分利用二次资源中共存金属的组分特征，突破传统“分离—提纯—再制造”的线性回收模式，实现混合金属资源向高附加值功能材料的短流程转化，是铂族金属资源循环利用的重要研究方向。
近日，中国石油大学（北京）黄国勇教授课题组提出从二次铂资源的共存元素组成出发，以原本需要分离的Pt/Rh混合资源作为催化剂的功能调控组分，设计制备有序Rh–PtCo/C金属间化合物催化剂，探索混合铂族金属资源短流程高值化利用的新路径。
研究团队利用大语言模型辅助文献挖掘，分析491篇二次铂资源回收文献和5681篇铂基ORR催化剂文献，识别金属共存规律及代表性催化体系。结合密度泛函理论（DFT）计算，对不同元素引入PtCo后的含氧中间体吸附行为和Co空位形成能进行比较，发现Rh具有同时调节ORR活性与改善合金稳定性的潜力。在此基础上，研究人员采用废汽车尾气催化剂湿法回收中间液组成的Pt/Rh混合溶液为原料，制备得到有序Rh–PtCo/C催化剂。
图1 基于二次资源组分识别与理论筛选的Rh–PtCo/C催化剂合PtRh溶液直接升级策略
电化学测试表明，Rh–PtCo/C在0.9 V（vs. RHE）下的Pt质量活性达到1.792 A/mgPt，较PtCo/C提升74.49%，是商业Pt/C的12.71倍；经过30000次加速耐久性循环后，质量活性仅衰减5.80%。在更接近实际应用的H2/air膜电极测试中，该催化剂实现1.12 W/cm2的峰值功率密度，经过30000次电压循环后仍保持初始峰值功率密度的95.54%，进一步循环至60000次后保持率为84.8%，表现出较好的活性与耐久性协同优势。研究团队结合团簇展开（CE）模型与密度泛函理论（DFT）计算从原子层面揭示其性能提示机制，CE预测Rh优先分布于PtCo晶格的亚表层。理论分析表明，亚表层Rh能够调节表面Pt的电子结构，优化氧还原反应中间体的吸附，同时增强合金内部金属键合作用，从而实现催化活性与结构稳定性的协同提升。
图2 Rh–PtCo/C催化剂的半电池ORR活性、膜电极性能及循环耐久性
研究结合生命周期评价（LCA）和技术经济分析（TEA），在相同系统边界下比较Pt/Rh混合溶液直接升级、树脂吸附分离后制备催化剂、溶剂萃取分离后制备催化剂三种路线。情景分析结果显示，直接升级路线的气候变化影响为30.26 kg CO2 eq/kg catalyst，较两种分离路线分别降低37.88%和62.25%；其加工成本为0.17千美元/kg catalyst，低于两种分离路线。该研究将二次资源的组分特征纳入催化剂设计过程，为伴生铂族金属的功能化利用、Pt基金属间化合物的结构调控及高性能燃料电池催化剂制造提供了新的研究思路，也为战略金属资源循环利用与高值化转化相结合提供了参考。
相关研究成果以“利用Pt/Rh混合金属流中的Rh实现PtCo金属间化合物燃料电池催化剂活性与耐久性的协同提升” (Leveraging Rh in Mixed Pt/Rh Streams Enables Activity–Durability Synergy in PtCo Intermetallic Fuel Cell Catalysts) 为题，于2026年10月6日发表于《Advanced Materials》。
该论文合作方包括北京化工大学曹达鹏教授、新加坡国立大学Pengfei Ou教授等。