科学探索|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

在 3 月 21 日发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)的一篇文章中,研究人员介绍了一种不含任何贵金属的燃料电池 。若能顺利实现商用,其有望加速高效、清洁的氢燃料电池在汽车和其它领域的广泛采用 。作为参考,当前氢燃料电池需要用到昂贵的金属材料(比如铂),以有效催化发电 。

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(图自:PNAS)
长期以来,康奈尔大学化学生物学系的 Héctor D. Abru?a 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 。

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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 。
Abru?a 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) 。

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Abru?a 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 。

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【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》) 。