科学家打造类量子阱催化结构，原型电堆成功完成小功率输出，促进燃料电池迈向非贵金属化

近来，重庆大学团队成功 提醒了门控电化学反响进程的新机制，这不只能为完成燃料电池的非贵金属化供给新途径，还能为电化学反响的精准操控供给新思路。

根据此 ，研讨人员拼装出首个全非贵碱性燃料电池短堆，并完成了小功率的输出。借此推进了氢能技能展开，处理了碱性膜燃料电池阳极非贵金属化的技能难点。

未来，经过进一步地优化各个要害部件，将能打造出大功率的全非贵燃料电池电堆产品。

到时， 燃料电池的本钱将会被极大下降，然后可以成为动力电池范畴的极富市场竞争力的新技能。

经过与氢气出产、氢气贮存和氢气运送设备相结合，将能构成一个完好的氢能系统，终究推进氢经济的展开。

（来历：Nature Energy）

有望催生解耦活性宽和耦安稳性的新方法

据介绍，碱性膜燃料电池——是一种将化学能直接转化为电能的动力转化设备，具有高效、洁净、兼容可再生动力技能等特色，在交通、运送、通讯等范畴有着宽广的运用远景。

当在碱性环境之下，碱性膜燃料电池的最大优势在于可以运用非贵金属催化剂，然后可以极大削减、乃至消除燃料电池关于贵金属的依靠，然后可以下降本钱以及打破运用瓶颈。

可是，关于燃料电池的阳极来说，它一般处于挨近、或高于非贵金属氧化的阳极极化环境。

一起，非贵金属催化剂极易产生电化学氧化反响，然后会导致电极失活和电池失效，这也是当时碱性膜燃料电池非贵金属化面对的最大应战之一。

例如，当阳极电位超越 0.108V 时，镍基催化剂就会产生氧化反响，然后导致镍的不可逆氧化失活。

针对上述问题，该团队经过在镍催化界面构筑晶化掺杂碳钼层，来完成门控电化学反响。

掺杂碳的作用在于：能让界面的钼与镍在费米能级处构成强共振，当掺杂层厚度挨近玻尔半径的时分，就能让可变价的钼原子轨道吐纳镍金属的电子，即构成一品种量子阱催化结构。

因为这种界面结构的存在，让镍金属的电子能被约束在类量子阱催化结构的低能谷之内，然后可以按捺镍的电化学氧化反响。

而当氢原子被吸附之后，跟着氢电子的改动，类量子阱催化结构的电荷电充程度也会改动，借此可以敞开电荷传递通道，然后可以完成选择性的催化氢气氧化反响。

关于量子阱晶体管的开/关状况来说，它依靠于经过施加电压来改动电子通道的电子导通性。

相同的，类量子阱催化结构的电子导通性，则取决于氢气是否被吸附。

在这一原理的辅导之下，他们将镍基催化剂的氧化电位从 0.1 V RHE 拓宽到 1.2V RHE 吸附。

研讨人员表明关于非贵金属而言，这是一个十分高的氧化电位，几乎没有任何纳米非贵金属催化剂可以耐受如此之高的氧化电位。

一起，该课题组制备出一种镍 @碳钼 x 催化剂，在 0.3V RHE 电位条件之下，该催化剂可以安稳、接连地催化氢氧化 100 小时以上，而且不会产生衰减。

当在 0.7V RHE 电位条件下安稳运转 10 小时后，氢氧化电流仅下降 13.3%。这时，以镍@碳钼 x 作为阳极拼装的碱性膜燃料电池，其功率密度可以到达 486mWcm -2 。

总的来说，该团队提出的量子限域电荷选择性搬运理论、以及高抗电化学氧化特性理论，可以完成腐蚀进程与催化进程的解耦。

关于镍的反响性来说：它能在需求催化之时被激活；而在催化剂搁置之时，则会被封闭然后避免腐蚀。

在含有更多中间体的反响中，本次方法还有望经过门控状况来完成独立优化，因而它很有潜力催生出一种解耦活性宽和耦安稳性的新方法。

这样一来，就能经过打造愈加杂乱的结构，来催生更多既安稳、又高效的电催化剂。

（来历：Nature Energy）

完成“门控效应”

事实上，该团队从 2011 年就现已开端研讨氢氧化。此前，他们曾树立一套氢氧化活性的点评方法，探明晰碱性条件下影响氢气氧化反响的要素。

并开宣布具有抗一氧化碳中毒才干的钌基催化剂，以及开宣布一种可以耐受高电压的非贵金属催化剂。

在前期研讨中，他们要点研讨低贵金属催化剂，并使用金属-金属氧化物界面的界面氧化反响，来调控金属钌向二氧化钛的电子搬运的程度。

经过此，课题组得以在钌簇上一起保存氧化态与金属特征。然后在碱性条件之下，让亲氧性极强的钌元素，能将氢氧化反响催化到 0.9V，而且彻底不会被氧化，终究将催化剂的质量活性进步到铂钌/碳的 1.5 倍 [1]。

进一步地他们发现：当钌簇沿着二氧化钛的晶格成长时，半导体二氧化钛上的自在电子，会经过钌-钛键反填充到钌金属的价带上，然后构成带有负电荷的钌团簇。

这种挨近全填充状况的钌簇，不只可以按捺氧的吸附，还能进步催化剂的氢氧化活性和抗氧化才干，并能阻止一氧化碳吸附进程中的电子向金属的搬运，然后让贵金属钌氢氧化进程具有抗一氧化碳中毒的才干 [2]。

经过上述研讨，他们意识到催化剂中的电子具有可控调理性。

（来历：Nature Energy）

那么，能否经过自在调理电子在金属上的注入和输出，完成电化学反响的可控，即完成“门控效应”？

根据这一想象，课题组展开了数百次试验，借此提高了镍基催化剂的抗氧化才干。

随后，经过处理膜电极技能上的难题，以及在化学吸附环境之下展开电子电导测验，该团队确认了类量子阱催化结构和预期的电化学“门控效应”。

一起，课题组进一步地展开原位谱学验证，并与英国拉夫堡大学林文锋教授、以及重庆大学李莉教授展开理论核算模仿协作。

借此证明了这一规则：即类量子阱催化结构的界面电子，会跟着氢吸附产生呈现大幅的电子搬运现象。

而在研讨中他们也曾遇到许多难以解说的试验成果。比方，镍的配位结构没有产生明显改动，可是电化学特征却呈现明显改动。这些成果与惯例电化学机理呈现出迥然的差异。

为了解析非贵金属催化剂镍能在高电位下完成抗电化学氧化反响的原因，课题组反复推敲数据的正确性，并规划了根据化学吸附环境的导电率测验试验，以便验证是否存在电化学反响的自操控现象。

后来，他们发现：经过碳掺杂构成的半金属结构，并没有到达进步电导率的作用，反而下降了全体电导率。

而只要产生氢气吸附时，电导率才干被进步然后可以催化反响。直到这时，他们才确认了“门控效应”的存在。

图 | 相关论文（来历：Nature Energy）

日前，相关论文以《量子限域诱导氢氧化金属镍电催化剂抗电化学氧化》（Quantum confinement-induced anti-electrooxidation of metallic nickel electrocatalysts for hydrogen oxidation）为题发在 Nature Energy（IF 49.7）。

图 | 从左到右：丁炜、林文锋、魏子栋（来历：材料图）

重庆大学周圆圆博士是榜首作者，重庆大学的丁炜教授和魏子栋教授、以及英国拉夫堡大学林文锋教授担任一起通讯作者 [3]。

图 | 榜首作者周圆圆博士（左）和本次项目其他成员（右）（来历：材料图）

虽然本次作业处理了抗电化学氧化的难题，并在电池系统中完成了开始的运用，可是催化剂的活性仍旧无法和贵金属比美。

因而，他们期望进一步提高催化剂的本征活性，完成电堆层级的高性能输出。

参考材料：

1.J.Mater. Chem. A, 2020, 8,10168

2.Nature Catalysis, 2020,3,454-462

3.Zhou, Y., Yuan, W., Li, M.et al. Quantum confinement-induced anti-electrooxidation of metallic nickel electrocatalysts for hydrogen oxidation. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01604-9

排版：溪树

02/

03/

04/

05/