【世界聚看點】中國科大研制出“無序勝有序”合金玻璃燃料電池催化劑

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近日，中國科學技術大學高敏銳教授課題組與南京理工大學蘭司教授課題組合作，設計并研制了一種用于堿性膜燃料電池陽極氫氧化反應的鎳-鉬-鈮三元合金玻璃催化劑（圖1），實現了比肩鉑的催化活性和穩定性。相關成果以“Nickel–molybdenum–niobium metallic glass for efficient hydrogen oxidation in hydroxide exchange membrane fuel cells”為題發表在國際著名學術期刊《自然·催化》（Nature Catalysis 2022, 5, 993-1005）上。論文發表后，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”專欄對其進行詳細評述。

在“雙碳”背景下，氫燃料電池由于比能量高、零排放等優點，將在未來能源結構中扮演重要角色。質子交換膜燃料電池對鉑族催化劑的依賴導致器件成本過高。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，具有顯著的市場優勢。然而，堿性膜燃料電池陽極氫氣氧化反應（HOR）反應動力學遲緩；同時，非貴金屬催化劑在運行條件下結構易變性強。因此，基于非貴金屬設計高活性、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。

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）。最優化的Ni52Mo13Nb35合金玻璃展現了與鉑比肩的催化活性；同時，其在氧化電位高達0.8 VRHE時仍保持結構穩定，展現了優異的抗氧化特性。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雜質氣體的氫氣燃料中依然表現出很高的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，發現其在室溫和45℃下均能穩定工作。元素分析表明，在超過17小時的反應后，Ni52Mo13Nb35金屬玻璃沒有明顯的Ni、Mo和Nb元素電化學析出。與之相比，結晶態的Ni52Mo13Nb35合金僅在5小時后其Mo元素損失比就高達11%。原位拉曼光譜研究表明，相比于晶態催化劑，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異的化學均一性，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生。

利用機械球磨，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，優化后的燃料電池在0.65V電壓下能產生338mAcm-2的電流密度，其峰值功率密度達到390mWcm-2。即使在氫-空條件下，Ni52Mo13Nb35合金玻璃驅動的燃料電池也表現優異：在0.65V時能夠提供201mAcm-2的電流密度，其最大功率密度達到253mWcm-2。以上膜電極組裝性能代表了當前非貴金屬催化劑驅動的堿性膜氫燃料電池能達到的最佳值。

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嚴玉山教授。武漢大學陳勝利教授對該工作提出了諸多寶貴意見。

相關研究受到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、安徽省重點研究與開發計劃等項目的資助。

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

標簽： 燃料電池 非貴金屬 研究人員