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燃料电池合金催化剂新进展
发布时间:2020-9-30 来源:纳米人 浏览:622次

第一作者:Yu Duan, Zi-You Yu, Li Yang

通讯作者:俞书宏、高敏锐

通讯单位:中国科学技术大学

 

本文亮点:

1. 发展了一种一种双金属MoNi4基纳米合金电催化剂

2. 实现了碱性电解质中高效的HOR催化性能


       在过去的几年中,由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术的快速发展,氢燃料电池汽车已开始进入市场。然而,当前的PEMFC严重依赖于铂(Pt)基电催化剂,以在低pH值下驱动缓慢的阴极氧还原反应(ORR),从而提高了成本竞争力。 

      与PEMFC相比,氢氧化物交换膜燃料电池(HEMFC)具有一些特殊的优点,可以采用不含铂族金属(PGM)的催化剂来实现优异的ORR,从而大幅降低成本。 

       不幸的是,PGM催化剂(PtIrPd)上的阳极氢氧化反应(HOR)活性在碱性电解质中比在酸性电解质中慢2-3个数量级。因此,这会导致阳极处更高的PGM负载,这在很大程度上抵消了使用无PGM阴极所降低的成本。 

       因此,开发在碱中具有高本征HOR活性,耐久,不含PGM的电催化剂对HEMFC技术的应用具有重要意义。 

       有鉴于此,中科大俞书宏院士,高敏锐教授等人报道了一种双金属MoNi4合金电催化剂作为无PGM HEMFC阳极用于碱性电解质中高效HOR催化。

 


方法

       首次通过微波加热Ni(NO3)2·6H2O(NH4)6Mo7O24·4H2O(或(NH4)10W12O41·xH2O)在200 °CNH3·H2O/乙二醇/H2O混合溶剂中合成了片状Mo(W)掺杂Ni(OH)2前驱体。然后,将生成的绿色粉末在400 °C的氢气/氩气(H2/Ar5/95)气氛中退火,以制备Mo-Ni合金(W-Ni合金)。此外,微波反应器配备了自动臂,因此,可获得克级的Mo(W)-Ni合金,用于规模制备。

 

表征

       Mo-Ni合金在退火过程中由于纳米片的聚集而产生了更多的狭缝状气孔。经像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像显示,Mo-Ni合金的纳米片相互连接,表面多孔,而W-Ni合金是由重叠的纳米颗粒聚集形成。原子分辨率HAADF-STEM图像和相应的快速FT分析表明,形成了四方相MoNi4WNi4。在MoNi4WNi4合金表面可以观察到丰富的原子台阶。

 

 

性能

        MoNi4纳米催化剂的几何交换电流密度为3.41 mA cm-2,比商品Pt/C催化剂的交换电流密度高1.4倍,优于已有报道的碱性条件下不含PGM的催化剂。在50 mV时,MoNi4催化剂的几何动力学电流密度为33.8 mA cm-2,分别比新合成的Ni催化剂和商品Pt/C催化剂提高105倍和2.8倍。此外,这种合金催化剂对氢燃料中杂质CO的表面中毒也表现出令人印象深刻的耐受性。此外,在运行20 h后,HOR活性没有明显下降。

 

机理

       优化的Ni-Mo(Mo)合金纳米结构和表面协同优化了氢在Ni上的吸附和羟基在相邻Mo(W)上的吸附,从而获得了高反应性。此外,设计类似的WNi4合金在碱性环境下也具有明显的HOR活性,说明了这种策略的普适性。


 

 

小结

        研究结果提供了一种有前途的合金设计策略,可用于生产低成本HEMFC阳极的高活性和耐用HOR电催化剂。

 

参考文献:

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