研究表明，氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFC）作為一種很有前途的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，其性能受限于對(duì)鉑族金屬（PGM）電催化劑的需求，特別是對(duì)于氫氧化反應(yīng)（HOR）而言。在此，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院胡喜樂(lè)教授和美國(guó)特拉華大學(xué)嚴(yán)玉山教授等人報(bào)告了一種Ni基HOR催化劑，其電化學(xué)表面積歸一化交換電流密度為70 μA cm-2，是非鉑貴金屬催化劑中的最高值。該催化劑包含嵌入N摻雜碳載體中的Ni納米顆粒。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)，Ni納米顆粒和載體之間的電子相互作用平衡了氫氣和氫氧根之間的結(jié)合能，這也可能是催化劑高活性的來(lái)源。采用這種非PGM的Ni基HOR催化劑HEMFC的峰值功率密度為488 mW cm-2，比之前性能最佳的類似HEMFC高出6.4倍。這項(xiàng)工作證明了高效的無(wú)PGM的HEMFC可行性。相關(guān)論文以“An efficient nickel hydrogen oxidation catalyst for hydroxide exchange membrane fuel cells”為題發(fā)表在Nature Materials。眾所周知，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種新興的清潔能源技術(shù)，但其需要大量使用Pt催化劑、全氟膜和耐酸組件，從而導(dǎo)致成本高。氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFC）是PEMFC的一種具有成本效益的替代品，可以在堿性介質(zhì)中使用成本較低的催化劑、膜和電堆組件。因此，開(kāi)發(fā)非鉑族金屬（PGM）催化劑是實(shí)現(xiàn)HEMFC的關(guān)鍵。迄今為止，用于陰極氧還原反應(yīng)（ORR） 的無(wú)PGM催化劑的性能可與PGM相媲美, 而在陽(yáng)極缺乏用于氫氣氧化反應(yīng)（HOR）的無(wú)PGM催化劑，這是HEMFC發(fā)展的主要障礙。其中，HEMFCs對(duì)HOR催化劑提出了挑戰(zhàn)，不僅在于具有高固有活性，而且還表現(xiàn)出其他理想的性能，例如大表面積、多孔結(jié)構(gòu)和耐高溫、陽(yáng)極電位和CO中毒。同時(shí)，在地球上豐富的金屬中，Ni被證明是滿足這些要求的最佳選擇。然而，最先進(jìn)的Ni催化劑通常表現(xiàn)出低于40 μA cm-2催化劑電化學(xué)表面積（ECSA）的固有活性。盡管少數(shù)催化劑具有較高的固有活性，但它們的表面積非常小。此外，一些催化劑在涉及旋轉(zhuǎn)圓盤電極（RDE）測(cè)量的模型研究中表現(xiàn)出良好的質(zhì)量活性，但它們?nèi)菀籽趸?，不適合實(shí)際設(shè)備。事實(shí)上，Ni在燃料電池工作環(huán)境，即高溫和高電流密度下的穩(wěn)定性并沒(méi)有得到很好的證明。因此，之前報(bào)道的Ni催化劑在完整的電池配置中沒(méi)有表現(xiàn)出良好的性能，尤其是在使用不含 PGM的陰極時(shí)。本文報(bào)告的Ni基催化劑，基于該催化劑的無(wú)PGM HEMFC在95°C和80°C時(shí)的峰值功率密度分別為488 mW cm-2和443 mW cm-2，大約是之前最佳的HEMFC六倍，其優(yōu)異的活性是源于Ni納米顆粒和載體之間的電子相互作用使得氫結(jié)合能（HBE）和氫氧根結(jié)合能（OHBE）平衡。390°C下，通過(guò)在H2/NH3/N2混合溶液中熱解Ni基金屬有機(jī)骨架Ni3(BTC)2制備催化劑Ni-H2-NH3。NH3用于引入N摻雜以調(diào)節(jié)Ni的電子結(jié)構(gòu)，而H2用作還原劑以形成金屬Ni，且每種氣體的溫度和分壓都經(jīng)過(guò)仔細(xì)優(yōu)化。同時(shí)，參考化合物Ni-H2和Ni-NH3也使用相同的方法制備。
圖4. 測(cè)量的HOR活性與HBE和OHBE的相關(guān)性
圖5. 于Ni-H2-NH3陽(yáng)極的氫燃料電池性能Ni, W., Wang, T., Héroguel, F. et al. An efficient nickel hydrogen oxidation catalyst for hydroxide exchange membrane fuel cells. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01221-5
