中国科大研制出高性能燃料电池阳极催化剂

日前，中国科学技术大学的高敏锐教授及其课题组成功研发了一种高抗氨毒化的镍基碱性膜燃料电池阳极催化剂，其在阳极含10 ppm氨的膜电极组装中，能保持95％的初始峰值功率密度和88％的初始电流密度（0.7V下），远超商业铂碳催化剂。这项研究成果已经发表在国际著名的学术期刊《美国化学会志》上。

氢氧燃料电池因其能量高、零排放等优点，在国家"双碳"战略中能够发挥重要作用。然而，氢气燃料中的氨气很容易毒化商用铂碳催化剂，导致其性能降低。尤其是在碱性膜燃料电池中，铂基催化剂的氢气氧化反应动力学较慢，这与氨毒化协同作用，加速了电池性能的衰退。因此，碱性膜燃料电池实用化迫切需要新型阳极催化剂。

通常情况下，过渡金属结合氨的能力与其未占据和占据的d轨道相关。过渡金属既可以接受氨的电子，也可以向氨提供电子，两者都能增强氨的吸附能力。钼镍合金被广泛用作高效的氢氧化催化剂。研究人员认为，在钼镍合金中引入电负性较小的元素，可以形成镍位点的富电子态，从而抑制氨的孤对电子供给。他们发现，通过在钼镍合金中掺杂铬，不仅可以获得富电子态的镍，抑制了σN-H→dmetal的电子供给，同时还阻止了d→σ*N-H的反向电子供给，这两者的协同作用大大削弱了氨的吸附能力。

通过旋转圆盘电极测试，发现该催化剂在2 ppm氨存在条件下电化学循环1万次性能几乎没有损失，而铂碳催化剂则出现了严重的性能损失。在实际的碱性膜燃料电池中，使用该催化剂作为阳极组装的器件在存在10 ppm氨的条件下仍可保留95%的初始峰值功率密度，而铂碳催化剂的功率输出下降至初始值的61%。

通过进行衰减全反射-表面增强红外吸收光谱测试可以得出以下结论：没有Cr掺杂的钼镍合金和商用铂碳催化剂在不同电位下对氨具有吸附行为。但是，经过Cr调制的催化剂表面不存在任何氨吸附峰。此外，通过电子能量损失谱和电子顺磁共振分析发现，引入Cr后，镍的d带占据数增加，从而证实了它作为富电子态催化中心的特性。理论计算结果还发现，Cr的引入可以降低镍的d带中心，进一步证明了氨在其表面吸附的减弱现象。

最近几年，高敏锐研究小组专注于碱性膜燃料电池非贵金属电催化剂的研制和应用研究。在之前的研究中，该小组与杨晴教授合作发现通过Co元素的掺杂可以有效地阻止镍的d轨道向一氧化碳分子的2π*反键轨道的电子“反向供给”，从而获得了具有高一氧化碳耐受性的水氧化非贵金属电催化剂。

这篇论文的通讯作者是高敏锐教授，他是合肥微尺度物质科学国家研究中心的成员。与他合作的共同第一作者是中国科大的王业华博士研究生，以及高飞跃博士后和张晓隆。该研究得到了国家自然科学基金委、国家重大科学研究计划以及安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。