質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種新興的清潔能源技術(shù)，但其需要大量鉑（Pt）催化劑、全氟膜和耐酸電堆組件，導(dǎo)致較高的成本。得益于低成本催化劑、膜和堆疊組件，氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFCs）有望成為PEMFC的一種經(jīng)濟(jì)有效的替代方案。開發(fā)HEMFCs一個(gè)重要目標(biāo)是消除電池對鉑族金屬（PGM）的需求。迄今為止，用于陰極氧還原反應(yīng)（ORR）的無鉑催化劑已經(jīng)取得了與鉑族金屬對應(yīng)物相當(dāng)?shù)男阅?，并且?shí)現(xiàn)了高導(dǎo)電性和穩(wěn)定的氫氧化物交換膜。然而，用于陽極氫氧化反應(yīng)（HOR）的高活性無鉑催化劑發(fā)展仍然比較緩慢，這嚴(yán)重阻礙了HEMFC的發(fā)展。

近日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院胡喜樂教授、特拉華大學(xué)嚴(yán)玉山教授報(bào)道了一種Ni基HOR催化劑，其ECSA歸一化交換電流密度為70 μA cm^-2，這是目前已知無鉑催化劑中的最高值。根據(jù)X射線和紫外光電子能譜以及H₂化學(xué)吸附數(shù)據(jù)顯示，Ni納米顆粒和載體之間的電子相互作用導(dǎo)致平衡的氫和氫氧化物結(jié)合能，這可能是催化劑高活性的來源。由這種Ni基HOR催化劑的無PGM HEMFCs的峰值功率密度為488 mW cm^-2，比之前性能最佳的HEMFC高出6.4倍。該論文以題為“An efficient nickel hydrogen oxidation catalyst for hydroxide exchange membrane fuel cells”發(fā)表在知名期刊Nature Materials上。

1、報(bào)道了一種Ni基HOR催化劑，其ECSA歸一化交換電流密度為70 μA cm^-2；

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

3、揭示催化劑高活性的來源是Ni納米顆粒和載體之間的電子相互作用導(dǎo)致平衡的氫和氫氧化物結(jié)合能。

圖一、Ni催化劑的合成及TEM圖像

（a）Ni催化劑的合成的示意圖；

（b-d）Ni-H₂-NH₃、Ni-NH₃和Ni-H₂的TEM圖像。

圖二、電化學(xué)HOR

（a）三種鎳催化劑在H₂飽和的0.1M KOH中的電化學(xué)HOR活性，以商用20 wt%的Pt/C催化劑作對比；

（b）（a）中HOR電流密度的Butler-Volmer圖；

（c）Ni-H₂-NH₃和Ni-NH₃存在下HOR的加速耐用性測試；

（d）Ni-H₂-NH₃和商用20 wt%的Pt/C催化劑的CO中毒測試。

圖三、機(jī)理研究

（a）Ni-H₂、Ni-NH₃、Ni-H₂-NH₃和無載體的Ni參比催化劑的UPS光譜；

（b）通過H₂化學(xué)吸附測定Ni-H₂-NH₃、Ni-NH₃、Ni-H₂、Ni和Pt/C參比電極測定的強(qiáng)吸附平衡常數(shù)k₂；

（c）在H₂飽和0.1M KOH，0.1M KOD和1M KOH溶液中Ni-H₂-NH₃的極化曲線；

（d）從（c）導(dǎo)出的ECSA歸一化電流密度的Butler-Volmer圖；

（e）Ni-H₂-NH₃的陽極掃描顯示OH(D)^-在N₂飽和KOH或KOD溶液中的氧化吸附；

（f）陽極掃描顯示OH^-在N₂飽和KOH溶液中對Ni-H₂、Ni-NH₃、Ni-H₂-NH₃和無載體的Ni參比的氧化吸附。

圖四、測定的HOR活性與HBE和OHBEs的相關(guān)性

（a）圖（3b）中獲得的k₂的對數(shù)與鎳樣品和鉑的測量交換電流密度的對數(shù)之間的關(guān)系圖；

（b）圖（3e, 3f）中測量的鎳樣品的OH解吸峰電位與測量的交換電流密度對數(shù)之間的關(guān)系圖。

圖五、基于Ni-H₂-NH₃陽極的氫燃料電池性能

（a）使用COMN尖晶石作為陰極催化劑的無PGM的H₂/O₂ HEMFC性能；

（b）不含PGM的MEA測試結(jié)果與之前報(bào)告的數(shù)據(jù)對比；

（c）以Pt/C為陰極材料的極化曲線和功率密度曲線；

（d）MEA測試結(jié)果與其他非鉑陽極MEA性能（H₂/O₂供氣）對比；

（e）使用Ni-H₂-NH₃作為陽極和Pt/C（0.2?mg Pt/cm²）作為陰極的無H₂/CO₂空氣燃料電池性能；

（f）MEA測試結(jié)果與其他非Pt陽極MEA性能對比。

綜上所述，本論文報(bào)道了一種Ni催化劑，其固有活性為70 μA cm²_Ni。采用這種催化劑的HEMFCs在95 ℃時(shí)的峰值功率密度為488 mW cm^-2，在80 ℃時(shí)的峰值功率密度為443 mW cm^-2，比先前報(bào)道的類似HEMFCs高出6.4倍。催化劑所具有優(yōu)異的活性得益于氫結(jié)合能（HBE）和氫氧化物結(jié)合能（OHBE）的平衡，這是由微調(diào)的鎳-載體相互作用產(chǎn)生的。

文獻(xiàn)鏈接：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。