研究人员用碳涂层镍阳极代替燃料电池中的贵金属材料

《美国**科学院杂志》于3 月21日发表（PNAS）在一篇文章中，研究人员介绍了一种不含任何贵金属的燃料电池。如果能顺利实现商业化，有望加快汽车等领域高效清洁的氢燃料电池的广泛应用。作为参考，目前氢燃料电池需要昂贵的金属材料(如铂)来有效催化发电。

（图自：PNAS）

长期以来，康奈尔大学化学生物学系 Héctor D. Abru?a 教授一直在实验室里寻找高活性、低成本、耐用的碱性燃料电池催化剂。

而发表于 PNAS 上面的文章讲述了一个新发现。研究人员说：

氮混合碳涂层镍阳极可用于催化氢燃料电池的基本反应，成本仅占贵金属的一小部分。

这一新发现为氢燃料电池开辟了广阔的市场前景，有望为新能源汽车等应用带来高效、清洁、实惠的新选择。

需要指出的是，尽管碱性聚合物电解质膜燃料电池(以下简称 APEMFC）非贵金属电催化剂可以使用，但替代材料的性能和耐久性往往不尽如人意。

教授说，他们在用高效、清洁的氢燃料电池取代传统化石燃料方面取得了新的进展。

燃料电池有氢氧化反应（HOR）氧还原反应（OOR）两种发电方式。铂催化剂在此类模型中得到了广泛的应用，并通过了 PEM 燃料电池中酸性环境的耐久性测试。

近期对非贵金属 HOR 电催化剂的实验需要克服两个主要挑战：

(1)氢结合能过强，会导致本征活性降低；

(2)随着金属氧化物的快速形成，燃料电池的耐久性将大大降低。

有鉴于此，研究人员设计了一种由氮掺碳制成的镍基电催化剂。

作为阳极催化剂，由碳壳包围的实心镍核组成，直径仅为 2 纳米。

与钴锰阴极配对时，完全不含贵金属的氢燃料电池，每平方厘米的输出功率可超过 200 毫瓦。

Abru?a 解释说，镍电极表面氧化镍的存在会显著减缓氢的氧化反应。氮与碳保护涂层的存在可以增强 HOR，使反应更快、更高效。

此外，镍电极上的石墨烯涂层可以防止氧化镍的形成，从而大大延长氢燃料电池的使用寿命，这些电极对一氧化碳的耐受性更强（铂材料容易因吸附一氧化碳而迅速毒化）。

Abru?a 教授总结道：使用这种新型阳极可以大大降低碱性氢燃料电池的价格，从而促进其在更广泛的领域的应用。

此外，他的同事在 2 月发现氮化钴催化剂正在催化 OOR(氧还原反应)几乎和贵金属铂一样有效。

感兴趣的朋友可以移动到《PNAS》，以查看《A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode》全文。

【补充】庄林/小丽项目组燃料电池研究取得新进展

【武汉大学新闻网 / 化学与分子科学学院】

氢能电化学技术以燃料电池为代表，是实现碳中和的重要途径。化学与分子科学院庄林/肖丽研究小组碱性聚电解质燃料电池（APEFC）关于氢氧化反应的研究不断取得突破（HOR）近日，高性能镍阳极的研究进展发表在 PNAS(美国**科学院杂志)。

HOR 催化剂一直依赖于贵金属铂。金属镍在碱性系统中具有一定的活性，但表面容易氧化和钝化。

庄林/肖丽团队的硕士研究生高云飞发现，如果在镍纳米催化剂表面覆盖薄层氮杂碳，可以显著提高抗氧化性，促进其 HOR 催化活性，尤其当使用含 CO 氢气时，这种新型镍电极的活性和稳定性高于铂电极。

随后，早年从庄林研究小组毕业到康奈尔大学攻读博士学位的杨尧采用高分辨率电子显微分析和同步辐射 X 射线光谱深入分析了镍表面的特性和催化机制。

高云飞用镍阳极和锰钴阴极实现峰值功率密度超过 200mW/c㎡ 的 APEFC，这是目前使用全非贵金属催化剂低温燃料电池的更高性能报告。

近20年来，庄林研究小组一直致力于基于碱性聚电解质的电化学能 / 物质转化研究()，包括燃料电池、水电解和 CO? 电解转化。

目前，我们还承担了科技部重点研发计划项目、基金委员会重大项目和重大研究计划的综合项目。研究进展已在高水平学术期刊上发表，关键材料获得独立的知识产权，实现商业生产。

这是课题组第二次 PNAS 发表 APEFC 研究论文。

来源：cnBeta.COM |