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燃料電池合金催化劑新進展
發布時間:2020-9-30 來源:納米人 瀏覽:633次

第一作者:Yu Duan, Zi-You Yu, Li Yang

通訊作者:俞書宏、高敏銳

通訊單位:中國科學技術大學

 

本文亮點:

1. 發展了一種一種雙金屬MoNi4基納米合金電催化劑

2. 實現了堿性電解質中高效的HOR催化性能


       在過去的幾年中,由于質子交換膜燃料電池(PEMFC)技術的快速發展,氫燃料電池汽車已開始進入市場。然而,當前的PEMFC嚴重依賴于鉑(Pt)基電催化劑,以在低pH值下驅動緩慢的陰極氧還原反應(ORR),從而提高了成本競爭力。 

      與PEMFC相比,氫氧化物交換膜燃料電池(HEMFC)具有一些特殊的優點,可以采用不含鉑族金屬(PGM)的催化劑來實現優異的ORR,從而大幅降低成本。 

       不幸的是,PGM催化劑(Pt、IrPd)上的陽極氫氧化反應(HOR)活性在堿性電解質中比在酸性電解質中慢2-3個數量級。因此,這會導致陽極處更高的PGM負載,這在很大程度上抵消了使用無PGM陰極所降低的成本。 

       因此,開發在堿中具有高本征HOR活性,耐久,不含PGM的電催化劑對HEMFC技術的應用具有重要意義。 

       有鑒于此,中科大俞書宏院士,高敏銳教授等人報道了一種雙金屬MoNi4合金電催化劑作為無PGM HEMFC陽極用于堿性電解質中高效HOR催化。

 


方法

       首次通過微波加熱Ni(NO3)2·6H2O(NH4)6Mo7O24·4H2O(或(NH4)10W12O41·xH2O)在200 °CNH3·H2O/乙二醇/H2O混合溶劑中合成了片狀Mo(W)摻雜Ni(OH)2前驅體。然后,將生成的綠色粉末在400 °C的氫氣/氬氣(H2/Ar5/95)氣氛中退火,以制備Mo-Ni合金(W-Ni合金)。此外,微波反應器配備了自動臂,因此,可獲得克級的Mo(W)-Ni合金,用于規模制備。

 

表征

       Mo-Ni合金在退火過程中由于納米片的聚集而產生了更多的狹縫狀氣孔。經像差校正的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像顯示,Mo-Ni合金的納米片相互連接,表面多孔,而W-Ni合金是由重疊的納米顆粒聚集形成。原子分辨率HAADF-STEM圖像和相應的快速FT分析表明,形成了四方相MoNi4WNi4。在MoNi4WNi4合金表面可以觀察到豐富的原子臺階。

 

 

性能

        MoNi4納米催化劑的幾何交換電流密度為3.41 mA cm-2,比商品Pt/C催化劑的交換電流密度高1.4倍,優于已有報道的堿性條件下不含PGM的催化劑。在50 mV時,MoNi4催化劑的幾何動力學電流密度為33.8 mA cm-2,分別比新合成的Ni催化劑和商品Pt/C催化劑提高105倍和2.8倍。此外,這種合金催化劑對氫燃料中雜質CO的表面中毒也表現出令人印象深刻的耐受性。此外,在運行20 h后,HOR活性沒有明顯下降。

 

機理

       優化的Ni-Mo(Mo)合金納米結構和表面協同優化了氫在Ni上的吸附和羥基在相鄰Mo(W)上的吸附,從而獲得了高反應性。此外,設計類似的WNi4合金在堿性環境下也具有明顯的HOR活性,說明了這種策略的普適性。


 

 

小結

        研究結果提供了一種有前途的合金設計策略,可用于生產低成本HEMFC陽極的高活性和耐用HOR電催化劑。

 

參考文獻:

Yu Duan et al. Bimetallic nickel-molybdenum/tungsten nanoalloys for high-efficiency hydrogen oxidation catalysis in alkaline electrolytes. Nat Commun 11, 4789 (2020)

DOI10.1038/s41467-020-18585-4

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18585-4

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