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中國(guó)科大研制高抗氨毒化的燃料電池陽(yáng)極催化劑

時(shí)間:2023-08-23 22:28來(lái)源:中安在線 作者:王敏　汪喬
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      記者8月22日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授課題組研制出一種高抗氨毒化的鎳基堿性膜燃料電池陽(yáng)極催化劑，其在陽(yáng)極含10　ppm氨的膜電極組裝中，能保持95％的初始峰值功率密度和88％的初始電流密度，遠(yuǎn)超商業(yè)鉑碳催化劑。相關(guān)成果日前發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》。
　　氫氧燃料電池由于比能量高和零排放等優(yōu)點(diǎn)，有望在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略中扮演重要的角色。然而，商業(yè)鉑碳催化劑極易被氫氣燃料中的微量氨氣毒化而導(dǎo)致失活。特別地，在堿性膜燃料電池中，鉑基催化劑的氫氣氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，其與氨毒化協(xié)同作用，加速電池性能的衰退。因此，設(shè)計(jì)高活性、高抗氨毒化的新型陽(yáng)極催化劑是堿性膜燃料電池實(shí)用化亟需解決的難題。
 
　　通常，過(guò)渡金屬結(jié)合氨的能力與其未占據(jù)和占據(jù)的d軌道相關(guān)，其既可接受來(lái)自氨的電子也能向氨反向供給電子，兩者都能增強(qiáng)氨的吸附。鉬鎳合金是高效氫氧化催化劑，研究人員認(rèn)為營(yíng)造鎳位點(diǎn)的富電子態(tài)會(huì)排斥氨的孤對(duì)電子供給，而引入比鎳電負(fù)性小的元素可以提供電子獲得富電子態(tài)的鎳位點(diǎn)。
 
　　研究人員發(fā)現(xiàn)，將鉻摻雜入鉬鎳合金，不僅獲得鎳的富電子態(tài)來(lái)抑制氨σ軌道向鎳d軌道的電子供給，同時(shí)還使d帶中心下移阻隔了鎳d軌道向氨σ*反鍵軌道的反向電子供給，兩者協(xié)同作用大大削弱了氨吸附。
 
　　旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極測(cè)試表明，該催化劑在2　ppm氨存在條件下電化學(xué)循環(huán)1萬(wàn)次性能幾乎沒(méi)有損失，而鉑碳催化劑性能損失嚴(yán)重。在實(shí)際的堿性膜燃料電池中，以該催化劑作為陽(yáng)極組裝的器件在10　ppm氨存在下可保留95%的初始峰值功率密度。相比之下，鉑碳催化劑的功率輸出則降低至初始值的61%。
 
　　衰減全反射-表面增強(qiáng)紅外吸收光譜測(cè)試表明，沒(méi)有鉻摻雜的鉬鎳合金與商業(yè)鉑碳催化劑在不同電位下對(duì)氨具有顯著的吸附行為。經(jīng)鉻調(diào)制的催化劑表面則沒(méi)有任何氨吸附峰的存在。同時(shí)，電子能量損失譜和電子順磁共振分析也表明，鉻的引入使得鎳的d帶占據(jù)數(shù)更高，驗(yàn)證了其富電子態(tài)催化中心；理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)鉻引入降低了鎳的d帶中心，佐證了氨在其表面吸附被削弱。
 
　　審稿人高度評(píng)價(jià)該工作，認(rèn)為“這是一項(xiàng)重要的工作，對(duì)于研制抗氫氣中不純雜質(zhì)分子毒化的電催化劑提供了重要的借鑒”;“該工作將進(jìn)一步推進(jìn)堿性膜燃料電池技術(shù)的實(shí)用化”。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 燃料電池 催化劑
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