中国科大研制出“无序胜有序”合金玻璃燃料电池催化剂

近日，中国科学技术大学高敏锐教授课题组与南京理工大学兰司教授课题组合作，设计并研制了一种用于碱性膜燃料电池阳极氢氧化反应的镍-钼-铌三元合金玻璃催化剂（图1），实现了比肩铂的催化活性和稳定性。相关成果以“Nickel–molybdenum–niobium metallic glass for efficient hydrogen oxidation in hydroxide exchange membrane fuel cells”为题发表在国际著名学术期刊《自然·催化》（Nature Catalysis 2022, 5, 993-1005）上。论文发表后，美国橡树岭国家实验室Alexey Serov博士以“Nickel catalysts for affordable fuel cells”为题在《自然·催化》的“News & views”专栏对其进行详细评述。

在“双碳”背景下，氢燃料电池由于比能量高、零排放等优点，将在未来能源结构中扮演重要角色。质子交换膜燃料电池对铂族催化剂的依赖导致器件成本过高。相比之下，碱性膜燃料电池允许使用非贵金属催化剂、廉价的双极板和隔膜，具有显著的市场优势。然而，碱性膜燃料电池阳极氢气氧化反应（HOR）反应动力学迟缓；同时，非贵金属催化剂在运行条件下结构易变性强。因此，基于非贵金属设计高活性、高抗氧化性的HOR催化剂是碱性膜燃料电池实用化面临的巨大挑战。

鉴于此，研究人员提出了一种新型多元合金玻璃策略，利用熔融纺丝法成功研制了镍-钼-铌三元合金玻璃催化剂（图2）。最优化的Ni52Mo13Nb35合金玻璃展现了与铂比肩的催化活性；同时，其在氧化电位高达0.8 VRHE时仍保持结构稳定，展现了优异的抗氧化特性。另外，与铂族催化剂极易受CO吸附而“中毒休克”相比，该合金玻璃催化剂在含有2% CO杂质气体的氢气燃料中依然表现出很高的HOR催化活性。

研究人员对Ni52Mo13Nb35合金玻璃施加0.8 VRHE的高氧化电位，发现其在室温和45℃下均能稳定工作。元素分析表明，在超过17小时的反应后，Ni52Mo13Nb35金属玻璃没有明显的Ni、Mo和Nb元素电化学析出。与之相比，结晶态的Ni52Mo13Nb35合金仅在5小时后其Mo元素损失比就高达11%。原位拉曼光谱研究表明，相比于晶态催化剂，合金玻璃即使在1.6VRHE高氧化电位下表面仍没有氧化物种生成（图2）。研究人员推测，熔融纺丝法的快速冷却过程赋予合金玻璃表面优异的化学均一性，抑制可作为“伽伐尼原电池”的晶体缺陷生成，从而阻止催化剂局域电腐蚀的发生。

利用机械球磨，研究人员将Ni52Mo13Nb35合金玻璃条带制作成粉末并测试其膜电极组装性能（图3）。在氢-氧测试条件下，优化后的燃料电池在0.65V电压下能产生338mAcm-2的电流密度，其峰值功率密度达到390mWcm-2。即使在氢-空条件下，Ni52Mo13Nb35合金玻璃驱动的燃料电池也表现优异：在0.65V时能够提供201mAcm-2的电流密度，其最大功率密度达到253mWcm-2。以上膜电极组装性能代表了当前非贵金属催化剂驱动的碱性膜氢燃料电池能达到的最佳值。

该论文在第一轮审稿中即受到四位独立审稿人的一致好评：“It is a solid and thorough research work”、“…a huge impact in the field of clean energies,…such a catalyst is very promising for the development of fuel cells…”、“The article is certainly suitable for publication”。论文的共同第一作者为中国科大博士后高飞跃、南理工博士生刘思楠、葛嘉城、香港城大博士后朱力、中国科大博士后张晓隆。中国科大高敏锐教授与南理工兰司教授为共同通讯作者。该工作的合作者还包括中国科大俞书宏院士和美国特拉华大学严玉山教授。武汉大学陈胜利教授对该工作提出了诸多宝贵意见。

相关研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00862-8

News&views链接：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00872-6