科学探索|华人科学家把氢燃料电池成本打下来了新催化剂廉价高效还稳定华人科学家把氢燃料电池成本

氢燃料电池生产成本总是居高不下？其中一个重要原因是：铂催化剂成本太高。那有没有可能，找到一种材料，廉价高效又稳定，从而完全摆脱对铂的依赖呢？近日发表在Nature子刊上的一篇论文，宣布了一个重大进展：基于氢氧化物交换膜燃料电池，合成了一种新型镍催化剂——Ni-H?-NH3，用于电池阳极进行氢氧化反应，可以大大提高效率。
研究显示，电池的峰值功率密度可达到450mW/cm2，在这之前最好成绩是76mW/cm2，相比提升了近5倍。研究者们，还是清一色中国面孔。

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新型镍催化剂？
什么是氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）？
是一种碱性燃料电池（AFC），可在阳极使用非贵金属催化剂，所以制造成本低。
但并不是当今氢燃料电池车的商业首选。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）才是，比如丰田的Mirai车型就采用的这种。
为什么呢？
主要原因在于——这种氢氧化物交换膜燃料电池，现有的阳极催化剂虽然不需要贵金属铂，但在催化活性上远远不能满足需求。

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这篇发表在Nature子刊上的论文，合成了一种新型镍催化剂——Ni-H?-NH3，比活性达到了70μA/cm2，在所有无铂催化剂中排名第一。
然而在此之前，最好的镍催化剂还不到40μA/cm2，差不多翻了一番。
比活性，指的是电化学表面积-归一化交换电流密度，即单位催化剂表面积上通过的电流，可以用来判断该催化剂的催化活性如何。
那么，这个催化剂为啥活性这么高？
首先，在390℃的混合气体（H?/NH3/N2）中，热解镍基的金属有机骨架，得到催化剂Ni-H?-NH3 。
该催化剂由氮掺杂碳基的镍纳米颗粒组成。
值得注意的是，两年前作者也合成了类似的镍催化剂——Ni-H?-2%，不过是在N2和H?的混合气体中热解而得，没有NH3 。

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一般情况下，降低金属镍的氢结合能（HBE），就能增加该催化剂的氢氧化反应活性。
该催化剂的镍纳米颗粒和碳载体上，电子间进行相互作用，从而使得氢结合能达到最理想值。
此外，降低氢氧化物结合能（OHBE）也能增加反应活性，但不是主导因素。
除了从热力学方面进行思考，过渡态势垒、界面电场、溶剂动力学这些因素也会影响到催化剂的反应活性。
有了这个催化剂，电池性能如何？
既然它催化活性这么高，氢氧化物交换膜燃料电池表现如何呢？
首先来看电池的峰值功率密度（PDD）。

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说个直观的数据，如果是用铂作为阳极催化剂，电池的峰值功率密度可超过1300mW/cm2，但是在此之前，用上性能最好的无铂催化剂，峰值功率密度却只有76mW/cm2 。
差距不是一点点大。
这篇论文报道的新型镍催化剂，阴极同样使用无铂催化剂的情况下，可以让电池的峰值功率密度达到450mW/cm2，相比原来提升了近5倍。
美国能源部（DOE）给它设立的目标就是——2030年电池峰值功率密度达到600mW/cm2，终极目标是超过1000mW/cm2 。
距离目标越来越近了。
需要补充的是，当阴极使用铂金属催化剂时，电池的峰值功率密度能达到628mW/cm2 。

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