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多校合作Nature Catalysis：原子级金属-非金属催化对实现高效HOR

时间：2023-09-01 来源：浏览：

多校合作Nature Catalysis：原子级金属-非金属催化对实现高效HOR

Energist 能源学人

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收录于合集

第一作者：Qilun Wang, Huawei Wang, Hao Cao

通讯作者：刘彬，陶华冰，王阳刚，Yujing Li,杨鸿斌

通讯单位：香港城市大学，厦门大学，南方科技大学，北京理工大学，苏州科技大学

【研究亮点】

合理设计高效的氢氧化反应（HOR）电催化剂，以最大限度地利用Pt族金属，对于氢燃料电池至关重要，但由于单一金属中心的H中间体（H*）解吸附的电位依赖性的能垒仍然是一个巨大挑战。在此，作者报道具有强电子耦合的原子分散的Ir-P催化对，其能显著促进HOR动力学。研究发现吸附在更亲氧的P位点上的反应性OH ^- 物种诱导了与相邻的Ir原子上的H*结合的有效热力学途径，而孤立的单原子Ir催化剂不具备此活性。在H ₂ -O ₂ 燃料电池中，这种催化剂实现了1.93W cm ⁻ ² 的峰值功率密度，并且在0.9 V _iR _-free 下，其阳极质量活性高达17.11A mg _Ir ⁻ ¹ ，明显优于商业化的Pt/C。

【主要内容】

以H ₂ -O ₂ /空气为气体供应的氢燃料电池，包括质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs），是一种有前景的可持续能源转换技术，将化学能转化为电能，效率高达60%，与传统燃烧发动机相比，不产生空气污染物排放。然而，燃料电池技术的商业化应用目前受到依赖Pt族金属（PGM）基电催化剂的制约，包括阳极的氢氧化反应（HOR）和阴极的氧还原反应（ORR）。尽管ORR已经取得了巨大的进展，提高Pt的原子效率并在追求无Pt金属（PGM）的电催化剂，但有研究代替Pt族金属的HOR电催化剂依然有限。事实上，高效的HOR电催化剂的合理设计和可控合成仍然受到机制不完全理解的阻碍，特别是由于所研究材料的结构复杂性和测试难度，尤其是吸附的氢氧根物种（OH*）是第二个描述符、旁观者，还是甚至是阻碍反应中活性位点的抑制剂。

香港城市大学刘彬，厦门大学陶华冰，南方科技大学王阳刚，北京理工大学Yujing Li以及苏州科技大学杨鸿斌报道一种具有结构均匀的催化对（CPs），由强电子相互作用的单Ir和P原子组成，装饰在N、P共掺杂的石墨烯碳上（简称为Ir ₁ -P ₁ /NPG），作为氢燃料电池中高效耐用的HOR电催化剂。自制的Ir ₁ -P ₁ /NPG催化剂在50mV过电位下表现出出色的HOR活性，具有3.05mA cm ⁻ ² 的交换电流密度和428.5mA mg _Ir ⁻ ¹ 的质量活性，而与之相对的N掺杂石墨烯碳上的单原子Ir（Ir ₁ /NG）不具备催化活性。一系列对照实验，光谱测量和密度泛函理论（DFT）计算显示出亲氧性的P原子位点上吸附的反应性OH*会动态地与相邻的Ir原子吸附的H*结合生成H ₂ O，有效降低了H脱附的能垒，从而加速了碱性和酸性HOR动力学。在1.0 bar H ₂ -O ₂ 环境中，具有超低PGM含量（4.5μg _Ir cm ⁻ ² ）的Ir ₁ -P ₁ /NPG催化剂作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的阳极表现出卓越的性能，实现了1.93W cm ⁻² 的峰值功率密度（ P _max ）。与此同时，在0.9V _iR-free 电压下的电流密度也达到了77mA cm ⁻ ² ，满足了美国能源部（DOE）2025年的目标。

图1. Ir ₁ –P ₁ /NPG催化剂的结构表征。

图2. Ir ₁ –P ₁ /NPG电催化HOR性能。

图3. 反应中间体的识别和 HOR 机理研究。

图4. DFT计算Ir ₁ –P ₁ /NPG 催化 HOR 过程。

文献信息

Qilun Wang, Huawei Wang, Hao Cao et al .Atomic metal–non-metal catalytic pair drives efficient hydrogen oxidation catalysis in fuel cells. Nature Catalysis (2023).

https://doi.org/10.1038/s41929-023-01017-z

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