具有高成本效益的陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)由于在正極和陰極中使用非鉑族金屬(PGM)電催化劑而受到越來(lái)越多的關(guān)注。在過(guò)去的幾十年里，大量高效的非PGM催化劑被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于陰極氧還原反應(yīng)(ORR)。然而，在堿性介質(zhì)中陽(yáng)極氫氧化反應(yīng)(HOR)動(dòng)力學(xué)緩慢，其中反應(yīng)動(dòng)力學(xué)比在酸性介質(zhì)中低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，這需要更高的PGM負(fù)載來(lái)獲得良好的HOR性能，增加了AEMFC的成本。因此，開(kāi)發(fā)高效耐用的非PGM HOR催化劑是推進(jìn)AEMFC進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵，但仍然具有挑戰(zhàn)性。
近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所胡勁松、唐堂和蘭州大學(xué)徐彩玲等開(kāi)發(fā)了一種分子前驅(qū)體導(dǎo)向策略，在Ni納米晶體中創(chuàng)建大量的原子相干堆疊缺陷(SFs)和孿晶界(TBs)，得到了具有多個(gè)外延hcp/fcc異質(zhì)界面的非常規(guī)hcp/fcc Ni異質(zhì)晶體(u-hcp/fcc Ni HNC)。除了正常的表面原子外，u-hcp/fcc Ni HNC還提供了大量額外的凸位點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)堿性HOR中不同關(guān)鍵物種的吸附。本文系統(tǒng)地研究表明，與傳統(tǒng)的Ni(111)晶面不同，在SFs或TBs上形成的凸位點(diǎn)使*H在具有弱HBE的新橋位置吸附，避免了傳統(tǒng)空心位置過(guò)強(qiáng)的*H吸附。重要的是，這種不對(duì)稱(chēng)位點(diǎn)可以通過(guò)原子階梯構(gòu)型同時(shí)穩(wěn)定界面*H2O，協(xié)同降低速率決定步驟(Volmer步驟)的動(dòng)力學(xué)勢(shì)壘，從而促進(jìn)堿性HOR的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。性能測(cè)試結(jié)果表明，u-hcp/fcc Ni HNC具有較好的堿性HOR催化性能，其質(zhì)量活性和比活性分別為40.6 mA mgNi?1和32.4 μA cm?2，優(yōu)于大多數(shù)Ni基催化劑；同時(shí)，經(jīng)過(guò)2000次CV循環(huán)后該催化劑的活性仍保持初始值的85%。更重要的是，Ni的d帶寬度較小，d帶中心與CO分子軌道的匹配度較低，從而削弱了CO的吸附。在含有1000 ppm CO條件下，u-hcp/fcc Ni HNC的電流密度在連續(xù)反應(yīng)1600s后保持在84%以上，顯示出有較好的CO耐受性?？偟膩?lái)說(shuō)，該項(xiàng)研究不僅報(bào)道了一種有效且簡(jiǎn)單的調(diào)制Ni表面構(gòu)型的方法，而且為通過(guò)操縱原子表面位點(diǎn)來(lái)同時(shí)利用多個(gè)中間體提供了范例。Unconventional hcp/fcc nickel heteronanocrystal with asymmetric convex sites boosts hydrogen oxidation. Angewandte Chemie International Edition, 2024. DOI: 10.1002/anie.202409763
