研究人员用碳涂层镍阳极取代了燃料电池中的贵金属材料

（图自：PNAS）

长期以来，康奈尔大学化学生物学系的 Héctor D. Abruña 教授，一直在实验室里寻找适用于碱性燃料电池的高活性、低成本、且耐用的催化剂。

而发表于 PNAS 上的这篇文章，就讲述了其中一项新发现。研究人员表示：

氮掺杂的碳涂层镍阳极，可用于催化氢燃料电池中的基本反应，而成本仅占当前使用的贵金属的一小部分。

这项新发现为氢燃料电池开辟了广阔的市场前景，有望为新能源汽车和其它应用带来高效、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（简称 APEMFC）能够使用非贵金属电催化剂，但替代材料的性能和耐久度往往不尽如人意。

教授表示，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进展。

据悉，燃料电池有氢氧化反应（HOR）和氧还原反应（OOR）两种发电方式。此前铂金催化剂已被普遍用于此类模型，并且通过了 PEM 燃料电池中酸性环境的耐用性考验。

而近期对非贵金属 HOR 电催化剂开展的实验，需要克服两个方面的主要挑战：

（1）若氢结合能过强，将导致本征活性变低；

（2）随着金属氧化物的快速形成，燃料电池的耐久性会大打折扣。

有鉴于此，研究人员设计了一种镍基电催化剂，其外壳由氮掺杂碳制成。

作为阳极催化用的它，由一个被碳壳包围的实心镍核组成，且直径仅为 2 纳米。

当与钴锰阴极配对时，所得到的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。

Abruña 解释称，镍电极表面上的氧化镍物质的存在，会显着拖慢氢的氧化反应。而氮掺杂碳保护涂层的存在，正好可以增强 HOR，使得反应更快、更高效。

此外镍电极上的石墨烯涂层，能够防止氧化镍的形成，从而极大地延长氢燃料电池的使用寿命，且这些电极对一氧化碳的耐受性也更强（铂金材料很容易因为吸附一氧化碳而被迅速毒化）。

Abruña 教授总结道：“这种新型阳极的使用，可极大降低碱性氢燃料电池的价格，从而推动其在更广泛的领域中得到应用”。

另外，其同事在 2 月发现，氮化钴催化剂在催化 OOR（氧还原反应）方面，几乎与贵金属铂一样有效。

感兴趣的朋友，可移步至《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/肖丽课题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】

以燃料电池为代表的氢能电化学技术是实现碳中和的重要途径。化学与分子科学学院庄林/肖丽课题组在碱性聚电解质燃料电池（APEFC）领域的研究持续取得突破，关于氢氧化反应（HOR）高性能镍阳极的研究进展近日发表在 PNAS（《美国国家科学院院刊》）。

HOR 的催化剂一直以来都依赖贵金属铂。碱性体系中金属镍具有一定的活性，但表面极易氧化钝化。

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包覆薄层氮杂碳，可显著提高抗氧化性，且促进其 HOR 催化活性，尤其当使用含 CO 的氢气时，这种新型镍电极表现出高于铂电极的活性和稳定性。

随后，早年毕业于庄林课题组到美国康奈尔大学攻读博士学位的杨尧采用高分辨电子显微分析和同步辐射 X 射线光谱对这种镍表面的特性和催化机理进行了深入剖析。

高云飞以该镍阳极和锰钴阴极实现了峰值功率密度超过 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最高性能报道。

近 20 年来，庄林课题组一直致力于基于碱性聚电解质的电化学能量 / 物质转化研究（http://zhuang.whu.edu.cn），包括燃料电池、水电解和 CO₂ 电解转化。

目前同时承担了科技部重点研发计划项目、基金委重大项目和重大研究计划集成项目。研究进展多次发表在高水平学术期刊，关键材料获自主知识产权并实现商品化生产。

这是该课题组第二次在 PNAS 发表 APEFC 研究论文。