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2022年10月12日
中国科大研制出高抗CO毒化的燃料电池阳极

氢氧燃料电池由于比能量高和零排放等优点,有望在国家双碳战略中扮演重要的角色。然而,商业铂碳(Pt/C)催化剂极易吸附氢气燃料中的CO而导致中毒休克。特别地,在碱性膜燃料电池中,铂基催化剂的氢气氧化反应动力学缓慢,其与CO毒化协同作用,加速电池性能的衰退。因此,设计并创制高活性、高抗CO毒化的新型阳极催化剂是碱性膜燃料电池实用化需要解决的难题。

近日,中国科学技术大学高敏锐教授课题组与杨晴教授课题组合作,通过引入少量钴改良钼镍合金催化剂,创制出一种低成本、CO耐受性好的非贵金属氢氧化催化剂。相关成果以“Suppressing Electron Back-Donation for a Highly CO-tolerant Fuel Cell Anode Catalyst via Cobalt Modulation”为题发表在《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed.2022,61, e202208040)。

理论计算研究发现,将钴引入钼镍合金中,镍位点上的CO吸附能显著降低(图1)。这是因为钴引入后会带来缺电子的镍位点,削弱了镍的d轨道对CO的2π*的电子“反向供给”,有利于降低催化剂对CO的吸附能力。态密度图结合系列电子结构表征揭示Co-MoNi4催化剂的d带中心远离费米能级,电子“反向供给”不能有效发生,有望带来高的CO耐受性。

图1.理论计算。(a-c) CO吸附示意图;(d-f) Co-MoNi4(211)的CO吸附位置示意图;(g) CO吸附能对比图;(h) 镍的3d态密度图

旋转圆盘电极测试表明,当氢气燃料中含有500 ppm CO时,催化剂循环10000次后活性几乎不衰减。研究人员进一步考察了催化剂在膜电极组装下的抗CO毒化性能,发现即使在含有250 ppm CO的氢气燃料中,Co-MoNi4催化剂也能提供394 mW cm-2的峰值功率密度(图2),超过Pt/C催化剂的209 mW cm-2。而在纯氢燃料中,该催化剂的峰值密度可达到525 mW cm-2,处在目前非贵金属催化剂前列。该工作被评选为VIP论文和Frontispiece(卷首插画)论文(图3)。

图2.(a, b) 不同CO浓度下的氢氧燃料电池性能测试;(c) 峰值功率密度对比图;(d) 电流密度 (0.7V) 对比图;(e, f)电化学阻抗谱图。

图3.该工作被选为VIP论文和Frontispiece论文。

论文的共同第一作者为中国科大博士研究生杨宇、高飞跃博士、张晓隆博士和秦帅硕士。相关研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202284262

(合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部)

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