研究表明，氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）作为一种很有前途的能量转换技术，其性能受限于对铂族金属（PGM）电催化剂的需求，特别是对于氢氧化反应（HOR）而言。在此，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等人报告了一种Ni基HOR催化剂，其电化学表面积归一化交换电流密度为70 μA cm-2，是非铂贵金属催化剂中的最高值。该催化剂包含嵌入N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H2化学吸附数据，Ni纳米颗粒和载体之间的电子相互作用平衡了氢气和氢氧根之间的结合能，这也可能是催化剂高活性的来源。采用这种非PGM的Ni基HOR催化剂HEMFC的峰值功率密度为488 mW cm-2，比之前性能最佳的类似HEMFC高出6.4倍。这项工作证明了高效的无PGM的HEMFC可行性。相关论文以“An efficient nickel hydrogen oxidation catalyst for hydroxide exchange membrane fuel cells”为题发表在Nature Materials。众所周知，质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种新兴的清洁能源技术，但其需要大量使用Pt催化剂、全氟膜和耐酸组件，从而导致成本高。氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）是PEMFC的一种具有成本效益的替代品，可以在碱性介质中使用成本较低的催化剂、膜和电堆组件。因此，开发非铂族金属（PGM）催化剂是实现HEMFC的关键。迄今为止，用于阴极氧还原反应（ORR） 的无PGM催化剂的性能可与PGM相媲美, 而在阳极缺乏用于氢气氧化反应（HOR）的无PGM催化剂，这是HEMFC发展的主要障碍。其中，HEMFCs对HOR催化剂提出了挑战，不仅在于具有高固有活性，而且还表现出其他理想的性能，例如大表面积、多孔结构和耐高温、阳极电位和CO中毒。同时，在地球上丰富的金属中，Ni被证明是满足这些要求的最佳选择。然而，最先进的Ni催化剂通常表现出低于40 μA cm-2催化剂电化学表面积（ECSA）的固有活性。尽管少数催化剂具有较高的固有活性，但它们的表面积非常小。此外，一些催化剂在涉及旋转圆盘电极（RDE）测量的模型研究中表现出良好的质量活性，但它们容易氧化，不适合实际设备。事实上，Ni在燃料电池工作环境，即高温和高电流密度下的稳定性并没有得到很好的证明。因此，之前报道的Ni催化剂在完整的电池配置中没有表现出良好的性能，尤其是在使用不含 PGM的阴极时。本文报告的Ni基催化剂，基于该催化剂的无PGM HEMFC在95°C和80°C时的峰值功率密度分别为488 mW cm-2和443 mW cm-2，大约是之前最佳的HEMFC六倍，其优异的活性是源于Ni纳米颗粒和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。390°C下，通过在H2/NH3/N2混合溶液中热解Ni基金属有机骨架Ni3(BTC)2制备催化剂Ni-H2-NH3。NH3用于引入N掺杂以调节Ni的电子结构，而H2用作还原剂以形成金属Ni，且每种气体的温度和分压都经过仔细优化。同时，参考化合物Ni-H2和Ni-NH3也使用相同的方法制备。
图4. 测量的HOR活性与HBE和OHBE的相关性
Ni, W., Wang, T., Héroguel, F. et al. An efficient nickel hydrogen oxidation catalyst for hydroxide exchange membrane fuel cells. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01221-5
