陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)由于具有高功率密度，近年來受到越來越多的關(guān)注。在AEMFC中，陽極和陰極反應(yīng)分別是雙電子氫氧化反應(yīng)(HOR)和氧還原反應(yīng)(ORR)，且在絕大多數(shù)AEMFC中的ORR都是由Pt等貴金屬催化的。而Pt基催化劑高昂的價格、稀缺性和電化學(xué)不穩(wěn)定性阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化。
為了克服相當(dāng)大的成本障礙，最有希望的策略是減少Pt負(fù)載或開發(fā)無Pt催化劑。然而，開發(fā)結(jié)合高活性和長期穩(wěn)定性的高效非貴金屬催化劑仍然是一個重大挑戰(zhàn)。
此外，AEMFC催化劑一般采用旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)技術(shù)進(jìn)行測試。盡管一些材料，例如基于Mn的材料，在RDE測試中顯示出高ORR活性，但由于RDE和AEMFC的微環(huán)境(例如固體離聚體或膜與液體電解質(zhì)相比)的差異，很少有材料在堿性介質(zhì)AEMFC中獲得高性能。
近日，同濟(jì)大學(xué)馬吉偉、柏林工業(yè)大學(xué)Peter Strasser和德國馬普固體化物所胡志偉等利用了富錳鋰層狀氧化物(Li2Mn1-xMxO3)的結(jié)構(gòu)多樣性，其中M位點可以容納4d Ru至5d Ir并在3d和4d/5d軌道之間形成相互作用，促進(jìn)催化劑表面氧化物的交換，從而有利于催化活性。此外，Li2Mn1-xMxO3中M-O共價從3d Mn變?yōu)?d Ru和/或5d Ir的變化可以減少不穩(wěn)定的O 2p空穴，這有利于提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
作為概念的證明，研究人員提出了有限量Ru (0.1≤x≤0.2)的Li2Mn1-xRuxO3作為模型催化劑，建立了過電位與吸附能之間的火山關(guān)系來描述Li2Mn1-xRuxO3的催化活性。
結(jié)果顯示，Li2Mn0.85Ru0.15O3在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能，其ORR活性與商業(yè)Pt/C催化劑相當(dāng)，并具有顯著的穩(wěn)定性。原位X光吸收光譜顯示，初始的Mn3.95+離子逐漸轉(zhuǎn)化為低價的Mn2+/3+，而Ru>4+離子通過ORR反應(yīng)部分轉(zhuǎn)化為Ru4+，兩者協(xié)同提高催化活性。同時，Mn價態(tài)的調(diào)整和Ru摻雜引起的M-O共價程度的變化有助于Li2Mn0.85Ru0.15O3的穩(wěn)定性。
此外，研究人員發(fā)現(xiàn)Li2Mn0.85Ru0.15O3的OER活性優(yōu)于NiFe-LDHs和RuO2催化劑，并且在陰離子交換膜水電解槽(AEMWE)中僅需1.9 V的電壓就能達(dá)到1.2 A cm-2的高電流密度。綜上，Li2Mn0.85Ru0.15O3的優(yōu)異性能使其成為可以與商業(yè)鉑族金屬(PGM)催化劑競爭的有前途的氧電催化劑。
Stabilization of layered lithium-rich manganese oxide for anion exchange membrane fuel cells and water electrolysers. Nature Catalysis, 2024. DOI: 10.1038/s41929-024-01136-1
