近日，北京化工大学化学工程学院、有机无机复合材料国家重点实验室庄仲滨教授课题组与合作者在碱性膜燃料电池研究领域取得新进展，以第一通讯单位在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Atomically dispersed Iridium on Mo₂C as an efficient and stable alkaline hydrogen oxidation reaction catalyst”和“Tuning the apparent hydrogen binding energy to achieve high-performance Ni-based hydrogen oxidation reaction catalyst”的两篇研究论文。这两项研究针对碱性膜燃料电池阳极催化剂活性较低、成本较高等问题，通过设计高活性、高稳定性的低贵金属含量的和非贵金属基的氢气氧化催化材料，成功构筑高性能的碱性膜燃料电池并降低催化剂成本，展现出巨大的应用前景。

   研究背景   

氢能利用为摆脱对化石燃料的依赖和解决环境问题提供了可行的方案。燃料电池是利用氢能的理想途径，它可以将储存在氢气中的化学能直接转化为电能，具有发电效率较高、排放物无污染、负荷响应快、运行噪音低等优势。然而，对贵金属催化剂的高需求限制了燃料电池的广泛应用。近年来，碱性膜燃料电池（HEMFC）因其能够使用廉价的非铂族金属阴极电催化剂和镍基双极板等带来的成本优势而得到广泛的关注。然而，目前高性能的碱性膜燃料电池仍然严重依赖于贵金属催化剂。但与质子交换膜燃料电池（PEMFC）不同，碱性膜燃料电池对于贵金属的依赖主要来源于阳极。这是因为在碱性条件下，铂族金属催化氢氧化反应（HOR）的动力学显著减慢，导致碱性膜燃料电池阳极的贵金属需求变高。因此，开发高效、稳定的低贵金属、非贵金属基碱性HOR催化剂是降低碱性膜燃料电池成本的关键。

   研究成果   

1. 高活性、高稳定性的低贵金属单原子Ir碱性HOR催化剂

单原子催化剂具有高的贵金属利用率，但碳基单原子催化剂通常HOR催化活性低，不能满足碱性膜燃料电池阳极需求。课题组利用Mo₂C的类Pt能带结构和其与贵金属的强相互作用，制备了Mo₂C纳米颗粒负载单原子Ir（Ir_SA-Mo₂C/C）材料，实现了高活性、高稳定性的碱性HOR催化。Ir_SA-Mo₂C/C催化HOR的比交换电流密度达到4.1 mA cm_ECSA⁻²，分别是PtRu/C、Pt/C和Ir/C的2.6、7.7和10倍，反映了其优异的HOR本征活性。在经过30000次循环加速稳定性测试后，Ir_SA-Mo₂C/C催化HOR电流的衰减可以忽略不计，而对比样在10000次循环测试后活性就发生了显著衰减。得益于Ir_SA-Mo₂C/C催化剂的高活性，阳极仅需使用低的贵金属载量（0.05 mg_Ir cm⁻²），所制造的碱性膜燃料电池即可达到高达1.64 W cm⁻²的峰值功率密度。该性能对应阳极质量活性达到32 W mg_PGM⁻¹，领先目前已报道的贵金属阳极HOR催化剂。理论计算表明，高HOR活性归因于独特的Mo₂C基底，这使得Ir位点具有优化的H结合能和适度增强的OH结合能。该工作大幅降低了碱性膜燃料电池阳极贵金属需求量，为降低燃料电池成本打下了基础。 

图1 Ir_SA-Mo₂C/C催化剂结构示意图与碱性膜燃料电池性能

该论文第一通讯单位为北京化工大学。北京化工大学博士生方锦杰、王海勇和党茜为该论文共同第一作者。北京化工大学庄仲滨教授、李晖教授和特拉华大学***教授为该论文共同通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48672-9

2. 高活性的非贵金属Ni基碱性HOR催化剂

Ni基催化剂具有潜在的碱性HOR催化能力，但其活性不能够满足制备高性能碱性膜燃料电池的需求。课题组通过电极组分调控和电极界面水结构优化的双重策略，制备了表面Cr₂O₃修饰的NiCu合金（NiCuCr/C）催化剂，获得了高HOR活性与稳定性。NiCuCr/C催化HOR的比交换电流密度达到0.136 mA cm_ECSA⁻²，领先目前已报道的非贵金属基HOR催化剂。使用合成的NiCuCr/C作为阳极催化剂组装的碱性膜燃料电池的峰值功率密度可达到577 mW cm⁻²，显著高于Ni/C（32 mW cm⁻²）、NiCr/C（62 mW cm⁻²）和NiCu/C（102 mW cm⁻²），且超越了绝大多数已报道的Ni基催化剂。同时该电池也展现出良好的稳定性，在0.7 V恒电位测试中可稳定运行156 h，平均衰减速率仅为0.6 mA cm⁻² h⁻¹，超越文献已报道的所有Ni基催化剂。机理研究表明Cu与Ni形成合金后所产生的效应有效弱化了Ni的氢结合能，而Cr的引入丰富了界面吸附羟基，增强了界面水的结合，两方面共同作用优化了催化剂的表观氢结合能，进而加快了Volmer步骤反应速率，有效提升了HOR催化性能。该工作提升了非贵金属碱性膜燃料电池阳极催化剂的活性，为进一步降低燃料电池成本提供了一种具有前景的解决方案。

图2 NiCuCr/C催化剂结构示意图与碱性膜燃料电池性能

该论文第一通讯单位为北京化工大学。北京化工大学博士生王兴栋（已毕业）、刘雪瑞和方锦杰为该论文共同第一作者。北京化工大学庄仲滨教授为该论文通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45370-4