中国科大研制出高抗氨毒化镍基碱性膜燃料电池阳极催化剂

中国科大研制出高抗氨毒化镍基碱性膜燃料电池阳极催化剂

中央人民广播电台合肥8月22日电（记者鲍玉蟾）记者从中国科学技术大学获悉，近日，该校高敏瑞教授课题组开发出一种高抗氨中毒的镍基碱性膜燃料电池阳极催化剂。在阳极含10ppm氨的膜电极组上，可维持95%的初始峰值功率密度和88%的初始电流密度，远超商业化的铂碳催化剂。相关成果近日发表在《美国化学会志》上。

氨中毒机理及电子态调控（中央广播电视大学供图）

氢氧燃料电池凭借高比能量、零排放等优势，有望在国家“双碳”战略中发挥重要作用。然而，商用铂碳催化剂易被氢燃料中微量氨气中毒而失活。特别是在碱性膜燃料电池中，铂基催化剂的氢氧化反应动力学较慢，与氨中毒协同加速电池性能的下降。因此，设计一种高活性、高抗氨中毒的新型阳极催化剂是碱性膜燃料电池实际应用亟待解决的难题。

通常，过渡金属与氨的结合能力与其空轨道和占据轨道有关，空轨道和占据轨道既可以从氨那里接受电子，也可以将电子捐献给氨，这两种方式都可以增强氨的吸附。钼镍合金是一种高效的氢氧化催化剂。研究人员认为，在镍位创造富电子态会排斥氨的孤对电子捐献，而引入电负性比镍小的元素可以提供电子，从而获得富电子的镍位。

研究人员发现，将铬掺杂到钼镍合金中，不仅可以使镍获得富电子态以抑制由氨σ轨道到镍d轨道的电子供应，而且可以使d带中心下移以阻挡由镍d轨道到氨σ*反键轨道的反向电子供应，二者的协同效应大大削弱了氨的吸附。

旋转圆盘电极测试表明，在2 ppm氨存在下，催化剂经过10,000次电化学循环后性能几乎没有损失，而铂碳催化剂的性能损失严重。在实际的碱性膜燃料电池中，以该催化剂为阳极组装的装置在10 ppm氨存在下仍能保持初始峰值功率密度的95％。相比之下，铂碳催化剂的功率输出降低到初始值的61％。

衰减全反射-表面增强红外吸收光谱测试表明，未掺杂铬的钼镍合金和商业铂-碳催化剂在不同电位下对氨都有明显的吸附行为，经铬调制的催化剂表面没有出现氨吸附峰。同时，电子能量损失谱和电子顺磁共振分析也表明铬的引入使得镍的d带占有数更高，验证了其富电子催化中心；理论计算发现铬的引入降低了镍的d带中心，证明了氨在其表面的吸附减弱。

审稿专家对该工作给予了高度评价，认为“这是一项重要的工作，为研制抵抗氢气中杂质分子中毒的电催化剂提供了重要参考”；“该工作将进一步促进碱性膜燃料电池技术的实际应用”。