胡喜乐&严玉山Nat. Mater.：高性能Ni基催化剂助力燃料电池发展！

一、【导读】

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种新兴的清洁能源技术，但其需要大量铂（Pt）催化剂、全氟膜和耐酸电堆组件，导致较高的成本。得益于低成本催化剂、膜和堆叠组件，氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFCs）有望成为PEMFC的一种经济有效的替代方案。开发HEMFCs一个重要目标是消除电池对铂族金属（PGM）的需求。迄今为止，用于阴极氧还原反应（ORR）的无铂催化剂已经取得了与铂族金属对应物相当的性能，并且实现了高导电性和稳定的氢氧化物交换膜。然而，用于阳极氢氧化反应（HOR）的高活性无铂催化剂发展仍然比较缓慢，这严重阻碍了HEMFC的发展。

二、【成果掠影】

近日，洛桑联邦理工学院胡喜乐教授、特拉华大学严玉山教授报道了一种Ni基HOR催化剂，其ECSA归一化交换电流密度为70 μA cm^-2，这是目前已知无铂催化剂中的最高值。根据X射线和紫外光电子能谱以及H₂化学吸附数据显示，Ni纳米颗粒和载体之间的电子相互作用导致平衡的氢和氢氧化物结合能，这可能是催化剂高活性的来源。由这种Ni基HOR催化剂的无PGM HEMFCs的峰值功率密度为488 mW cm^-2，比之前性能最佳的HEMFC高出6.4倍。该论文以题为“An efficient nickel hydrogen oxidation catalyst for hydroxide exchange membrane fuel cells”发表在知名期刊Nature Materials上。

三、【核心创新点】

1、报道了一种Ni基HOR催化剂，其ECSA归一化交换电流密度为70 μA cm^-2；

2、Ni基HOR催化剂的无PGM HEMFCs的峰值功率密度为488 mW cm^-2，比之前性能最佳的HEMFC高出6.4倍；

3、揭示催化剂高活性的来源是Ni纳米颗粒和载体之间的电子相互作用导致平衡的氢和氢氧化物结合能。

四、【数据概览】

图一、Ni催化剂的合成及TEM图像

（a）Ni催化剂的合成的示意图；

（b-d）Ni-H₂-NH₃、Ni-NH₃和Ni-H₂的TEM图像。

图二、电化学HOR

（a）三种镍催化剂在H₂饱和的0.1M KOH中的电化学HOR活性，以商用20 wt%的Pt/C催化剂作对比；

（b）（a）中HOR电流密度的Butler-Volmer图；

（c）Ni-H₂-NH₃和Ni-NH₃存在下HOR的加速耐用性测试；

（d）Ni-H₂-NH₃和商用20 wt%的Pt/C催化剂的CO中毒测试。

图三、机理研究

（a）Ni-H₂、Ni-NH₃、Ni-H₂-NH₃和无载体的Ni参比催化剂的UPS光谱；

（b）通过H₂化学吸附测定Ni-H₂-NH₃、Ni-NH₃、Ni-H₂、Ni和Pt/C参比电极测定的强吸附平衡常数k₂；

（c）在H₂饱和0.1M KOH，0.1M KOD和1M KOH溶液中Ni-H₂-NH₃的极化曲线；

（d）从（c）导出的ECSA归一化电流密度的Butler-Volmer图；

（e）Ni-H₂-NH₃的阳极扫描显示OH(D)^-在N₂饱和KOH或KOD溶液中的氧化吸附；

（f）阳极扫描显示OH^-在N₂饱和KOH溶液中对Ni-H₂、Ni-NH₃、Ni-H₂-NH₃和无载体的Ni参比的氧化吸附。

图四、测定的HOR活性与HBE和OHBEs的相关性

（a）图（3b）中获得的k₂的对数与镍样品和铂的测量交换电流密度的对数之间的关系图；

（b）图（3e, 3f）中测量的镍样品的OH解吸峰电位与测量的交换电流密度对数之间的关系图。

图五、基于Ni-H₂-NH₃阳极的氢燃料电池性能

（a）使用COMN尖晶石作为阴极催化剂的无PGM的H₂/O₂ HEMFC性能；

（b）不含PGM的MEA测试结果与之前报告的数据对比；

（c）以Pt/C为阴极材料的极化曲线和功率密度曲线；

（d）MEA测试结果与其他非铂阳极MEA性能（H₂/O₂供气）对比；

（e）使用Ni-H₂-NH₃作为阳极和Pt/C（0.2 mg Pt/cm²）作为阴极的无H₂/CO₂空气燃料电池性能；

（f）MEA测试结果与其他非Pt阳极MEA性能对比。

五、【成果启示】

综上所述，本论文报道了一种Ni催化剂，其固有活性为70 μA cm²_Ni。采用这种催化剂的HEMFCs在95 ℃时的峰值功率密度为488 mW cm^-2，在80 ℃时的峰值功率密度为443 mW cm^-2，比先前报道的类似HEMFCs高出6.4倍。催化剂所具有优异的活性得益于氢结合能（HBE）和氢氧化物结合能（OHBE）的平衡，这是由微调的镍-载体相互作用产生的。

文献链接：An efficient nickel hydrogen oxidation catalyst for hydroxide exchange membrane fuel cells ( Nat. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01221-5)

本文由大兵哥供稿。

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