華人科學家把氫燃料電池成本打下來了 新催化劑廉價高效還穩定

研究者們，還是清一色中國面孔。

新型鎳催化劑？

什么是氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFC）？

是一種堿性燃料電池（AFC），可在陽極使用非貴金屬催化劑，所以制造成本低。

但并不是當今氫燃料電池車的商業首選。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）才是，比如豐田的Mirai車型就采用的這種。

為什么呢？

主要原因在于——這種氫氧化物交換膜燃料電池，現有的陽極催化劑雖然不需要貴金屬鉑，但在催化活性上遠遠不能滿足需求。

這篇發表在Nature子刊上的論文，合成了一種新型鎳催化劑——Ni-H?-NH3，比活性達到了70μA/cm2，在所有無鉑催化劑中排名第一。

然而在此之前，最好的鎳催化劑還不到40μA/cm2，差不多翻了一番。

比活性，指的是電化學表面積-歸一化交換電流密度，即單位催化劑表面積上通過的電流，可以用來判斷該催化劑的催化活性如何。

那么，這個催化劑為啥活性這么高？

首先，在390℃的混合氣體（H?/NH3/N2）中，熱解鎳基的金屬有機骨架，得到催化劑Ni-H?-NH3。

該催化劑由氮摻雜碳基的鎳納米顆粒組成。

值得注意的是，兩年前作者也合成了類似的鎳催化劑——Ni-H?-2%，不過是在N2和H?的混合氣體中熱解而得，沒有NH3。

一般情況下，降低金屬鎳的氫結合能（HBE），就能增加該催化劑的氫氧化反應活性。

該催化劑的鎳納米顆粒和碳載體上，電子間進行相互作用，從而使得氫結合能達到最理想值。

此外，降低氫氧化物結合能（OHBE）也能增加反應活性，但不是主導因素。

除了從熱力學方面進行思考，過渡態勢壘、界面電場、溶劑動力學這些因素也會影響到催化劑的反應活性。

有了這個催化劑，電池性能如何？

既然它催化活性這么高，氫氧化物交換膜燃料電池表現如何呢？

首先來看電池的峰值功率密度（PDD）。

說個直觀的數據，如果是用鉑作為陽極催化劑，電池的峰值功率密度可超過1300mW/cm2，但是在此之前，用上性能最好的無鉑催化劑，峰值功率密度卻只有76mW/cm2。

差距不是一點點大。

這篇論文報道的新型鎳催化劑，陰極同樣使用無鉑催化劑的情況下，可以讓電池的峰值功率密度達到450mW/cm2，相比原來提升了近5倍。

美國能源部（DOE）給它設立的目標就是——2030年電池峰值功率密度達到600mW/cm2，終極目標是超過1000mW/cm2。

距離目標越來越近了。

需要補充的是，當陰極使用鉑金屬催化劑時，電池的峰值功率密度能達到628mW/cm2。

接下來看電池的耐久性如何。

在95℃的溫度下，0.7V恒定電壓，該電池在40小時后電流密度僅僅只下降了7%，證明這款新型鎳催化劑在高溫和強電流下，化學穩定性非常好。

以上種種說明，對于氫氧化物交換膜燃料電池來說，就算沒有貴金屬鉑作為陽極催化劑，照樣可以很高效穩定。

最重要的一點，如果催化活性提升上去了，將來就可以完全取代鉑，從而大幅降低生產成本，向大規模商業化邁進。

相比貴金屬鉑，鎳儲量這么豐富，難道不香嗎？

風水輪流轉，或許不久的將來，質子交換膜燃料電池就要被趕下臺了。

論文研究團隊介紹

一作是倪偉焱和王騰。

倪偉焱，高中畢業于九江市一中，2015年本科畢業于南開大學化學學院。

2015年~2021年，在洛桑聯邦理工學院取得化學碩士和博士學位，且博士就讀期間，師從胡喜樂教授。

目前在多倫多大學念博士后，受到來自瑞士國家科學基金會（Swiss National Science Foundation, SNSF）的基金資助。

據公開資料顯示，倪偉焱已發表12篇學術論文，最近的一篇論文，標題為《用于氫氧化反應的協同Pt-Ru-氮摻雜碳催化劑實現的低鉑族金屬負載氫氧化物交換膜燃料電池》。

王騰，高中畢業于新疆烏魯木齊市第一中學，2013年本科畢業于北京大學化學與分子工程學院材料化學專業。

2013年~2018年期間，博士就讀于北京大學無機化學專業，在這期間，他在北京大學新能源與納米材料實驗室，師從李星國教授和鄭捷教授。

該實驗室的研究領域之一就是水分解和燃料電池電催化劑（氫析出、氧析出反應催化劑）。

目前，王騰正在特拉華大學念博士后。

本文的通訊作者是胡喜樂和嚴玉山。

胡喜樂，是瑞士洛桑聯邦理工學院化學科學與工程學院化學系教授，有機化學家。

2000年，本科畢業于北京大學化學系，2000年~2004年期間，碩士和博士相繼畢業于加利福尼亞大學化學系。

2005年~2007年，在加州理工學院念博士后。2007年~2012年，在洛桑聯邦理工學院化學系擔任助理教授，2013~2016年，擔任該化學系副教授，2016年至今，擔任教授。

胡喜樂教授小組主要研究目標是開發富含地球的元素制成的催化劑，將其用于與合成、能源和可持續性發展相關的化學轉化。

嚴玉山，來自中國吉林，現為特拉華大學化學與生物分子工程系主任，國際著名的分子篩膜專家，近日當選為美國國家工程院院士。

1988年獲中國科學技術大學學士學位，1995年獲美國加州理工學院工學碩士學位，1997年6月獲美國加州理工學院化工系工學博士學位。

1996年至1998年任美國AlliedSignal公司Senior Staff Engineer和Project Leader。

1998年9月開始在美國加州大學河濱分校化學工程與環境工程系工作，任助理教。2002年7月任副教授，2005年7月晉升為教授。

2006年被美國加州大學授予大學學者（University Scholar）稱號。2010年獲得國際分子篩協會授予的唐納德布瑞克獎。此外，其在燃料電池（膜與催化）領域也做了很多創新性研究，并獲得美國能源部高級能源研究計劃署OPEN 2009和OPEN 2012。