研究人員用碳涂層鎳陽極取代了燃料電池中的貴金屬材料

（圖自：PNAS）

長期以來，康奈爾大學化學生物學系的 Héctor D. Abru?a 教授，一直在實驗室里尋找適用于堿性燃料電池的高活性、低成本、且耐用的催化劑。

而發表于 PNAS 上的這篇文章，就講述了其中一項新發現。研究人員表示：

氮摻雜的碳涂層鎳陽極，可用于催化氫燃料電池中的基本反應，而成本僅占當前使用的貴金屬的一小部分。

這項新發現為氫燃料電池開辟了廣闊的市場前景，有望為新能源汽車和其它應用帶來高效、清潔、實惠的新選擇。

需要指出的是，盡管堿性聚合物電解質膜燃料電池（簡稱 APEMFC）能夠使用非貴金屬電催化劑，但替代材料的性能和耐久度往往不盡如人意。

教授表示，他們在用高效、清潔的氫燃料電池取代傳統化石燃料方面取得了新進展。

據悉，燃料電池有氫氧化反應（HOR）和氧還原反應（OOR）兩種發電方式。此前鉑金催化劑已被普遍用于此類模型，并且通過了 PEM 燃料電池中酸性環境的耐用性考驗。

而近期對非貴金屬 HOR 電催化劑開展的實驗，需要克服兩個方面的主要挑戰：

（1）若氫結合能過強，將導致本征活性變低；

（2）隨著金屬氧化物的快速形成，燃料電池的耐久性會大打折扣。

有鑒于此，研究人員設計了一種鎳基電催化劑，其外殼由氮摻雜碳制成。

作為陽極催化用的它，由一個被碳殼包圍的實心鎳核組成，且直徑僅為 2 納米。

當與鈷錳陰極配對時，所得到的完全不含貴金屬的氫燃料電池，每平方厘米的輸出功率可超過 200 毫瓦。

Abru?a 解釋稱，鎳電極表面上的氧化鎳物質的存在，會顯著拖慢氫的氧化反應。而氮摻雜碳保護涂層的存在，正好可以增強 HOR，使得反應更快、更高效。

此外鎳電極上的石墨烯涂層，能夠防止氧化鎳的形成，從而極大地延長氫燃料電池的使用壽命，且這些電極對一氧化碳的耐受性也更強（鉑金材料很容易因為吸附一氧化碳而被迅速毒化）。

Abru?a 教授總結道：“這種新型陽極的使用，可極大降低堿性氫燃料電池的價格，從而推動其在更廣泛的領域中得到應用”。

另外，其同事在 2 月發現，氮化鈷催化劑在催化 OOR（氧還原反應）方面，幾乎與貴金屬鉑一樣有效。

感興趣的朋友，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。

【補充】《莊林/肖麗課題組燃料電池研究取得新進展》【武漢大學新聞網 / 化學與分子科學學院】

以燃料電池為代表的氫能電化學技術是實現碳中和的重要途徑。化學與分子科學學院莊林/肖麗課題組在堿性聚電解質燃料電池（APEFC）領域的研究持續取得突破，關于氫氧化反應（HOR）高性能鎳陽極的研究進展近日發表在 PNAS（《美國國家科學院院刊》）。

HOR 的催化劑一直以來都依賴貴金屬鉑。堿性體系中金屬鎳具有一定的活性，但表面極易氧化鈍化。

莊林/肖麗團隊的碩士研究生高云飛發現如果在鎳納米催化劑表面包覆薄層氮雜碳，可顯著提高抗氧化性，且促進其 HOR 催化活性，尤其當使用含 CO 的氫氣時，這種新型鎳電極表現出高于鉑電極的活性和穩定性。

隨后，早年畢業于莊林課題組到美國康奈爾大學攻讀博士學位的楊堯采用高分辨電子顯微分析和同步輻射 X 射線光譜對這種鎳表面的特性和催化機理進行了深入剖析。

高云飛以該鎳陽極和錳鈷陰極實現了峰值功率密度超過 200mW/c㎡ 的 APEFC，這是目前使用全非貴金屬催化劑低溫燃料電池的最高性能報道。

近 20 年來，莊林課題組一直致力于基于堿性聚電解質的電化學能量 / 物質轉化研究（http://zhuang.whu.edu.cn），包括燃料電池、水電解和 CO? 電解轉化。

目前同時承擔了科技部重點研發計劃項目、基金委重大項目和重大研究計劃集成項目。研究進展多次發表在高水平學術期刊，關鍵材料獲自主知識產權并實現商品化生產。

這是該課題組第二次在 PNAS 發表 APEFC 研究論文。