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胡喜乐/严玉山Nature子刊：镍氢氧化催化剂高效助力氢氧化物交换膜燃料电池

时间：2022-04-14 来源： 浏览：

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氢氧化物交换膜燃料电池（hydroxide exchange membrane fuel cell, HEMFC）是一种很有前途的能量转换技术，但受到铂（Pt）族金属（platinum group metal, PGM）电催化剂的限制，特别是氢氧化反应（hydrogen oxidation reaction, HOR）。
基于此， 瑞士洛桑联邦理工学院 胡喜乐教授和美国特拉华大学严玉山教授（共同通讯作者）等人 报道了一种镍（Ni）基HOR催化剂（Ni-H 2 -NH 3 ），其电化学表面积归一化交换电流密度为70 μA cm -2 ，是无铂（PGM-free）催化剂中最高值。
通过在H 2 /NH 3 /N 2 （4.6: 33.6: 61.8, v/v/v）混合气氛中于390 ℃热解Ni基金属有机骨架Ni 3 (BTC) 2 （BTC，苯-1,3,5-三羧酸盐）制备了Ni-H 2 -NH 3 催化剂。其中，NH 3 用于引入氮掺杂以调节Ni的电子结构，而H 2 用作还原剂以形成金属Ni，而每种气体的温度和分压都经过仔细优化。
参考化合物Ni-H 2 和Ni-NH 3 也使用相同的方法制备，H 2 /N 2 和NH 3 /N 2 比率分别为4.6: 95.4和33.6: 66.4（v/v）。该催化剂包含嵌入氮掺杂碳载体中的Ni纳米颗粒。
根据X射线和紫外光电子能谱以及H 2 化学吸附数据，Ni纳米颗粒和载体之间的电子相互作用导致平衡的氢气和氢氧化物结合能，这可能是催化剂高活性的原因。
使用这种PGM-free的Ni基HOR催化剂的HEMFC在95 ℃和80 ℃时的峰值功率密度分别为488 mW cm -2 和443 mW cm -2 ，比之前性能最好的类似HEMFC高出6倍，其优异的活性源于Ni纳米颗粒与载体之间的电子相互作用使得氢结合能（HBE）和氢氧根结合能（OHBE）平衡。该工作证明了高效PGM-free HEMFC的可行性。
An efficient nickel hydrogen oxidation catalyst for hydroxide exchange membrane fuel cells. Nat. Mater., 2022 , DOI: 10.1038/s41563-022-01221-5.
https://doi.org/10.1038/s41563-022-01221-5.

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