高性能Ni基催化劑助力燃料電池發展！
軍工資源網 2022年04月21日一、【導讀】
質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種新興的清潔能源技術，但其需要大量鉑（Pt）催化劑、全氟膜和耐酸電堆組件，導致較高的成本。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的一種經濟有效的替代方案。開發HEMFCs一個重要目標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（ORR）的無鉑催化劑已經取得了與鉑族金屬對應物相當的性能，并且實現了高導電性和穩定的氫氧化物交換膜。然而，用于陽極氫氧化反應（HOR）的高活性無鉑催化劑發展仍然比較緩慢，這嚴重阻礙了HEMFC的發展。
二、【成果掠影】
近日，洛桑聯邦理工學院胡喜樂教授、特拉華大學嚴玉山教授報道了一種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X射線和紫外光電子能譜以及H2化學吸附數據顯示，Ni納米顆粒和載體之間的電子相互作用導致平衡的氫和氫氧化物結合能，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”發表在知名期刊Nature Materials上。
三、【核心創新點】
1、報道了一種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致平衡的氫和氫氧化物結合能。
四、【數據概覽】
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HOR
（a）三種鎳催化劑在H2飽和的0.1M KOH中的電化學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化學吸附測定Ni-H2-NH3、Ni-NH3、Ni-H2、Ni和Pt/C參比電極測定的強吸附平衡常數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的相關性
（a）圖（3b）中獲得的k2的對數與鎳樣品和鉑的測量交換電流密度的對數之間的關系圖；
（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之間的關系圖。
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測試結果與之前報告的數據對比；
（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測試結果與其他非Pt陽極MEA性能對比。
五、【成果啟示】
綜上所述，本論文報道了一種Ni催化劑，其固有活性為70 μA cm2Ni。采用這種催化劑的HEMFCs在95 ℃時的峰值功率密度為488 mW cm-2，在80 ℃時的峰值功率密度為443 mW cm-2，比先前報道的類似HEMFCs高出6.4倍。催化劑所具有優異的活性得益于氫結合能（HBE）和氫氧化物結合能（OHBE）的平衡，這是由微調的鎳-載體相互作用產生的。
文獻鏈接：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。