論文團隊：中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所徐維林課題組

論文DIO：10.1002/aenm.202404266

論文期刊：《Advanced Energy Materials》

論文分區(qū)：JCR一區(qū)

影響因子：IF:24.4

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在“碳達峰、碳中和”時代背景下，發(fā)展清潔、高效的氫能源成為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略方向。堿性交換膜燃料電池（AEMFC）具有低成本、非鉑催化材料的技術(shù)優(yōu)勢，有望替代傳統(tǒng)鉑（Pt）催化材料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。目前，非鉑催化材料的性能及壽命問題是影響堿性交換膜燃料電池規(guī)模應(yīng)用的重要挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所徐維林課題組在國際期刊《Advanced Energy Materials》發(fā)表題為《Ru-MnO Heterostructure Clusters Toward Efficient and CO-Tolerant Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction》論文，研究探討一種新型的Ru-MnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)（稱為Ru-MnO/C）催化材料在堿性交換膜燃料電池中的反應(yīng)表現(xiàn)，引發(fā)業(yè)界關(guān)注。

在Ru-MnO/C異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，團簇-團簇異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面通過從Ru到MnO的電子轉(zhuǎn)移來改變Ru位點的電子結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化中間體在Ru位點上的吸附。實驗數(shù)據(jù)表明，該催化劑在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出較高的HOR催化活性，具有高交換電流密度（3.71 mA cm^?2）和質(zhì)量活性（0.78 A mg _Ru^?1）。同時，在H₂/O₂條件下，堿性交換膜燃料電池的特定峰值功率密度（PPD）為7.0 W mg^?1_Ru，高于大多數(shù)研究報道的催化劑材料。更重要的是，該催化劑表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和CO耐受性。這項論文研究工作展示了簇-簇異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面與 HOR 性能之間的相關(guān)性，為今后開發(fā)新型非鉑催化劑材料提供了新的思路，具有重要指導(dǎo)意義。

· 背景介紹 ·

燃料電池是氫能商業(yè)應(yīng)用的重要載體，能夠?qū)錃馀c氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。在目前的燃料電池技術(shù)路線中，與質(zhì)子交換膜燃料電池相比，堿性交換膜燃料電池具有低成本優(yōu)勢，可以使用非鉑催化劑材料進行氧還原反應(yīng)（ORR），堿性交換膜燃料電池這一優(yōu)勢被寄予厚望，認為有望替代成本昂貴的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。

然而，HOR在堿性介質(zhì)中的反應(yīng)動力學(xué)比在酸性環(huán)境中的反應(yīng)動力學(xué)低兩個數(shù)量級左右，貴重鉑基催化劑性能表現(xiàn)并不理想。在電化學(xué)反應(yīng)中，一氧化碳和鉑族金屬（PGM）之間吸附性很強，陽極催化劑會被粗氫中的低濃度一氧化碳毒害，而粗氫又是重要的氫氣來源，工業(yè)生產(chǎn)天然氣合成甲醇工序就可以產(chǎn)生富余氫氣。因此，研究探索具有高CO耐受性的高性能氫氧化反應(yīng)的非鉑催化劑，助力堿性交換膜燃料電池商用化發(fā)展，對于我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展、有著非常重要的戰(zhàn)略價值。

· 圖文解析 ·

文章中采用了浸漬法和熱解法合成了Ru-MnO/C異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑，并使用XRD、EDS、XPS、STEM、EELS、XAFS等相關(guān)表征技術(shù)對其進行了詳細的表征。隨后利用電化學(xué)測試評估了催化劑的HOR活性、穩(wěn)定性和CO耐受性等。電化學(xué)測試結(jié)果下圖所示：

發(fā)現(xiàn)Ru-MnO/C的HOR極化曲線表現(xiàn)出急劇的電流響應(yīng)，非常接近能斯特極限。并且，在0到0.1 V的范圍內(nèi)，Ru-MnO/C的陽極電流密度高于其他催化劑，這表明與Ru/C、PtC_com和RuC_com催化劑相比，所開發(fā)的催化劑具有更you越的氫氧化反應(yīng)活性。為了定量評估它們的反應(yīng)速率和活性，測試了不同催化劑在不同旋轉(zhuǎn)速度下的極化曲線（見圖3b）。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，由于質(zhì)量傳輸?shù)母纳?，電流密度也相?yīng)增加。

為了驗證所制備催化劑在陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）中的應(yīng)用，進一步采用了Ru-MnO/C作為陽極催化劑（負載量為0.1 mg_Ru cm^-2）和PtC_com作為陰極催化劑（負載量為0.4 mg_Pt cm^-2）來測試AEMFCs的性能，表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性和CO耐受性。

· 總結(jié)展望 ·

近年來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對堿性交換膜燃料電池（AEMFC）技術(shù)投入了ji高的關(guān)注，希望擺脫了傳統(tǒng)的銥/鉑貴金屬催化材料依賴，破除氫能發(fā)展阻礙，實現(xiàn)低成本、高性能、規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用。中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所徐維林課題組這項基于新型Ru-MnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化材料的論文研究，為我們拓展了新的思路。

目前，堿性交換膜燃料電池研究正處于高速發(fā)展的階段，國內(nèi)外已有很多科研人員致力于新型非鉑催化劑領(lǐng)域，在電催化材料方面各種探索突破，我們有理由相信，堿性交換膜燃料電池研究會迎來重大突破！

· 儀器簡介 ·

該項論文研究工作使用理化（香港）有限公司提供的DSR數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤圓環(huán)電極裝置進行實驗測試。

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