北京化工大学开发出高性能贵金属及非贵金属氢氧化反应催化剂用于碱性膜燃料电池。

氢能因其清洁、高效、可再生的优点，被视为未来能源结构中的重要组成部分。燃料电池作为氢能高效转化的核心器件，是推动氢能经济发展的关键技术。相较于发展成熟的质子交换膜燃料电池（PEMFC），阴离子交换膜燃料电池（AEMFC，或称碱性膜燃料电池）因其碱性工作环境可使用非贵金属催化剂，具有大幅降低成本的潜力，近年来受到广泛关注。然而，AEMFC目前面临两大核心挑战：其一，阳极氢氧化反应（HOR）的缓慢动力学；其二，阴极氧还原反应（ORR）活性仍需提升。开发高性能、高稳定性的HOR催化剂，是推动AEMFC发展的关键。

北京化工大学化学工程学院庄仲滨教授团队长期致力于燃料电池与电解水催化剂的开发与应用研究。近期，该团队针对上述挑战，在碱性膜燃料电池阳极氢氧化反应（HOR）催化剂研究方面取得重要进展，设计合成了高性能的贵金属（Ir）单原子与非贵金属（Ni）基HOR催化剂，有效提升了阳极催化活性，降低了贵金属用量，相关研究成果分别发表在国际知名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。

1. 高活性、高稳定性的低铱载量氢氧化催化剂

针对贵金属铱（Ir）基催化剂成本高、载量大的问题，研究团队通过在Mo₂C基底上构筑铱单原子（Ir_SA-Mo₂C/C），开发了一种高活性、高稳定性的低铱载量HOR催化剂。电化学测试表明，Ir_SA-Mo₂C/C催化剂在碱性介质中表现出优异的HOR活性，其质量活性达到10.9 A mg_Ir⁻¹@50 mV，是商业化Pt/C催化剂的8倍以上。在30000次加速循环测试后，Ir_SA-Mo₂C/C催化HOR电流的衰减可以忽略不计，而对比样在10000次循环测试后活性就发生了显著衰减。得益于Ir_SA-Mo₂C/C催化剂的高活性，阳极仅需使用低的贵金属载量（0.05 mg_Ir cm⁻²），所制造的碱性膜燃料电池即可达到高达1.64 W cm⁻²的峰值功率密度。该性能对应阳极质量活性达到32 W mg_PGM⁻¹，领先目前已报道的贵金属阳极HOR催化剂。理论计算表明，高HOR活性归因于独特的Mo₂C基底，这使得Ir位点具有优化的H结合能和适度增强的OH结合能。该工作大幅降低了碱性膜燃料电池阳极贵金属需求量，为降低燃料电池成本打下了基础。

图1 Ir_SA-Mo₂C/C催化剂结构示意图与碱性膜燃料电池性能

该论文第一通讯单位为北京化工大学。北京化工大学博士生方锦杰、王海勇和党茜为该论文共同第一作者。北京化工大学庄仲滨教授、李晖教授和特拉华大学***教授为该论文共同通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48672-9

2. 高活性的非贵金属Ni基碱性HOR催化剂

Ni基催化剂具有潜在的碱性HOR催化能力，但其活性不能够满足制备高性能碱性膜燃料电池的需求。课题组通过电极组分调控和电极界面水结构优化的双重策略，制备了表面Cr₂O₃修饰的NiCu合金（NiCuCr/C）催化剂，获得了高HOR活性与稳定性。NiCuCr/C催化HOR的比交换电流密度达到0.136 mA cm_ECSA⁻²，领先目前已报道的非贵金属基HOR催化剂。使用合成的NiCuCr/C作为阳极催化剂组装的碱性膜燃料电池的峰值功率密度可达到577 mW cm⁻²，显著高于Ni/C（32 mW cm⁻²）、NiCr/C（62 mW cm⁻²）和NiCu/C（102 mW cm⁻²），且超越了绝大多数已报道的Ni基催化剂。同时该电池也展现出良好的稳定性，在0.7 V恒电位测试中可稳定运行156 h，平均衰减速率仅为0.6 mA cm⁻² h⁻¹，超越文献已报道的所有Ni基催化剂。机理研究表明Cu与Ni形成合金后所产生的效应有效弱化了Ni的氢结合能，而Cr的引入丰富了界面吸附羟基，增强了界面水的结合，两方面共同作用优化了催化剂的表观氢结合能，进而加快了Volmer步骤反应速率，有效提升了HOR催化性能。该工作提升了非贵金属碱性膜燃料电池阳极催化剂的活性，为进一步降低燃料电池成本提供了一种具有前景的解决方案。

图2 NiCuCr/C催化剂结构示意图与碱性膜燃料电池性能

该论文第一通讯单位为北京化工大学。北京化工大学博士生王兴栋（已毕业）、刘雪瑞和方锦杰为该论文共同第一作者。北京化工大学庄仲滨教授为该论文通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45370-4