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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授課題組與南京理工大學(xué)蘭司教授課題組合作，設(shè)計并研制了一種用于堿性膜燃料電池陽極氫氧化反應(yīng)的鎳-鉬-鈮三元合金玻璃催化劑（圖1），實現(xiàn)了比肩鉑的催化活性和穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Nickel–molybdenum–niobium metallic glass for efficient hydrogen oxidation in hydroxide exchange membrane fuel cells”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》（Nature Catalysis 2022, 5, 993-1005）上。論文發(fā)表后，美國橡樹嶺國家實驗室Alexey Serov博士以“Nickel catalysts for affordable fuel cells”為題在《自然·催化》的“News & views”專欄對其進(jìn)行詳細(xì)評述。

在“雙碳”背景下，氫燃料電池由于比能量高、零排放等優(yōu)點，將在未來能源結(jié)構(gòu)中扮演重要角色。質(zhì)子交換膜燃料電池對鉑族催化劑的依賴導(dǎo)致器件成本過高。相比之下，堿性膜燃料電池允許使用非貴金屬催化劑、廉價的雙極板和隔膜，具有顯著的市場優(yōu)勢。然而，堿性膜燃料電池陽極氫氣氧化反應(yīng)（HOR）反應(yīng)動力學(xué)遲緩；同時，非貴金屬催化劑在運行條件下結(jié)構(gòu)易變性強(qiáng)。因此，基于非貴金屬設(shè)計高活性、高抗氧化性的HOR催化劑是堿性膜燃料電池實用化面臨的巨大挑戰(zhàn)。

鑒于此，研究人員提出了一種新型多元合金玻璃策略，利用熔融紡絲法成功研制了鎳-鉬-鈮三元合金玻璃催化劑（圖2）。最優(yōu)化的Ni52Mo13Nb35合金玻璃展現(xiàn)了與鉑比肩的催化活性；同時，其在氧化電位高達(dá)0.8 VRHE時仍保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，展現(xiàn)了優(yōu)異的抗氧化特性。另外，與鉑族催化劑極易受CO吸附而“中毒休克”相比，該合金玻璃催化劑在含有2% CO雜質(zhì)氣體的氫氣燃料中依然表現(xiàn)出很高的HOR催化活性。

研究人員對Ni52Mo13Nb35合金玻璃施加0.8 VRHE的高氧化電位，發(fā)現(xiàn)其在室溫和45℃下均能穩(wěn)定工作。元素分析表明，在超過17小時的反應(yīng)后，Ni52Mo13Nb35金屬玻璃沒有明顯的Ni、Mo和Nb元素電化學(xué)析出。與之相比，結(jié)晶態(tài)的Ni52Mo13Nb35合金僅在5小時后其Mo元素?fù)p失比就高達(dá)11%。原位拉曼光譜研究表明，相比于晶態(tài)催化劑，合金玻璃即使在1.6VRHE高氧化電位下表面仍沒有氧化物種生成（圖2）。研究人員推測，熔融紡絲法的快速冷卻過程賦予合金玻璃表面優(yōu)異的化學(xué)均一性，抑制可作為“伽伐尼原電池”的晶體缺陷生成，從而阻止催化劑局域電腐蝕的發(fā)生。

利用機(jī)械球磨，研究人員將Ni52Mo13Nb35合金玻璃條帶制作成粉末并測試其膜電極組裝性能（圖3）。在氫-氧測試條件下，優(yōu)化后的燃料電池在0.65V電壓下能產(chǎn)生338mAcm-2的電流密度，其峰值功率密度達(dá)到390mWcm-2。即使在氫-空條件下，Ni52Mo13Nb35合金玻璃驅(qū)動的燃料電池也表現(xiàn)優(yōu)異：在0.65V時能夠提供201mAcm-2的電流密度，其最大功率密度達(dá)到253mWcm-2。以上膜電極組裝性能代表了當(dāng)前非貴金屬催化劑驅(qū)動的堿性膜氫燃料電池能達(dá)到的最佳值。

該論文在第一輪審稿中即受到四位獨立審稿人的一致好評：“It is a solid and thorough research work”、“…a huge impact in the field of clean energies,…such a catalyst is very promising for the development of fuel cells…”、“The article is certainly suitable for publication”。論文的共同第一作者為中國科大博士后高飛躍、南理工博士生劉思楠、葛嘉城、香港城大博士后朱力、中國科大博士后張曉隆。中國科大高敏銳教授與南理工蘭司教授為共同通訊作者。該工作的合作者還包括中國科大俞書宏院士和美國特拉華大學(xué)嚴(yán)玉山教授。武漢大學(xué)陳勝利教授對該工作提出了諸多寶貴意見。

相關(guān)研究受到國家自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃、安徽省重點研究與開發(fā)計劃等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00862-8

News&views鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00872-6

標(biāo)簽： 燃料電池 非貴金屬 研究人員