氢燃料电池成本被打下来了，新催化剂廉价高效还稳定，登上 Nature 子刊

氢燃料电池生产成本总是居高不下？其中一个重要原因是：铂催化剂成本太高。

那有没有可能，找到一种材料，廉价高效又稳定，从而完全摆脱对铂的依赖呢？

近日发表在 Nature 子刊上的一篇论文，宣布了一个重大进展：

基于氢氧化物交换膜燃料电池，合成了一种新型镍催化剂 --Ni-H₂-NH3，用于电池阳极进行氢氧化反应，可以大大提高效率。

研究显示，电池的峰值功率密度可达到 450mW / cm²，在这之前最好成绩是 76mW / cm²，相比提升了近 5 倍。

新型镍催化剂？

什么是氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）？

是一种碱性燃料电池（AFC），可在阳极使用非贵金属催化剂，所以制造成本低。

但并不是当今氢燃料电池车的商业首选。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）才是，比如丰田的 Mirai 车型就采用的这种。

为什么呢？

主要原因在于 -- 这种氢氧化物交换膜燃料电池，现有的阳极催化剂虽然不需要贵金属铂，但在催化活性上远远不能满足需求。

这篇发表在 Nature 子刊上的论文，合成了一种新型镍催化剂 --Ni-H₂-NH3，比活性达到了 70μA / cm²，在所有无铂催化剂中排名第一。

然而在此之前，最好的镍催化剂还不到 40μA / cm²，差不多翻了一番。

比活性，指的是电化学表面积-归一化交换电流密度，即单位催化剂表面积上通过的电流，可以用来判断该催化剂的催化活性如何。

那么，这个催化剂为啥活性这么高？

首先，在 390℃的混合气体（H₂/NH3 / N2）中，热解镍基的金属有机骨架，得到催化剂 Ni-H₂-NH3。

该催化剂由氮掺杂碳基的镍纳米颗粒组成。

值得注意的是，两年前作者也合成了类似的镍催化剂 --Ni-H₂-2%，不过是在 N2 和 H₂的混合气体中热解而得，没有 NH3。

一般情况下，降低金属镍的氢结合能（HBE），就能增加该催化剂的氢氧化反应活性。

该催化剂的镍纳米颗粒和碳载体上，电子间进行相互作用，从而使得氢结合能达到最理想值。

此外，降低氢氧化物结合能（OHBE）也能增加反应活性，但不是主导因素。

除了从热力学方面进行思考，过渡态势垒、界面电场、溶剂动力学这些因素也会影响到催化剂的反应活性。

有了这个催化剂，电池性能如何？

既然它催化活性这么高，氢氧化物交换膜燃料电池表现如何呢？

首先来看电池的峰值功率密度（PDD）。

说个直观的数据，如果是用铂作为阳极催化剂，电池的峰值功率密度可超过 1300mW / cm²，但是在此之前，用上性能最好的无铂催化剂，峰值功率密度却只有 76mW / cm²。

差距不是一点点大。

这篇论文报道的新型镍催化剂，阴极同样使用无铂催化剂的情况下，可以让电池的峰值功率密度达到 450mW / cm²，相比原来提升了近 5 倍。

美国能源部（DOE）给它设立的目标就是 --2030 年电池峰值功率密度达到 600mW / cm²，终极目标是超过 1000mW / cm²。

距离目标越来越近了。

需要补充的是，当阴极使用铂金属催化剂时，电池的峰值功率密度能达到 628mW / cm²。

接下来看电池的耐久性如何。

在 95℃的温度下，0.7V 恒定电压，该电池在 40 小时后电流密度仅仅只下降了 7%，证明这款新型镍催化剂在高温和强电流下，化学稳定性非常好。

以上种种说明，对于氢氧化物交换膜燃料电池来说，就算没有贵金属铂作为阳极催化剂，照样可以很高效稳定。

最重要的一点，如果催化活性提升上去了，将来就可以完全取代铂，从而大幅降低生产成本，向大规模商业化迈进。

相比贵金属铂，镍储量这么丰富，难道不香吗？

风水轮流转，或许不久的将来，质子交换膜燃料电池就要被赶下台了。

论文研究团队介绍

一作是倪伟焱和王腾。

倪伟焱，高中毕业于九江市一中，2015 年本科毕业于南开大学化学学院。

2015 年~2021 年，在洛桑联邦理工学院取得化学硕士和博士学位，且博士就读期间，师从胡喜乐教授。

目前在多伦多大学念博士后，受到来自瑞士国家科学基金会（Swiss National Science Foundation, SNSF）的基金资助。

据公开资料显示，倪伟焱已发表 12 篇学术论文，最近的一篇论文，标题为《用于氢氧化反应的协同 Pt-Ru-氮掺杂碳催化剂实现的低铂族金属负载氢氧化物交换膜燃料电池》。

王腾，高中毕业于新疆乌鲁木齐市第一中学，2013 年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院材料化学专业。

2013 年~2018 年期间，博士就读于北京大学无机化学专业，在这期间，他在北京大学新能源与纳米材料实验室，师从李星国教授和郑捷教授。

该实验室的研究领域之一就是水分解和燃料电池电催化剂（氢析出、氧析出反应催化剂）。

目前，王腾正在特拉华大学念博士后。

本文的通讯作者是胡喜乐和严玉山。

胡喜乐，是瑞士洛桑联邦理工学院化学科学与工程学院化学系教授，有机化学家。

2000 年，本科毕业于北京大学化学系，2000 年~2004 年期间，硕士和博士相继毕业于加利福尼亚大学化学系。

2005 年~2007 年，在加州理工学院念博士后。2007 年~2012 年，在洛桑联邦理工学院化学系担任助理教授，2013~2016 年，担任该化学系副教授，2016 年至今，担任教授。

胡喜乐教授小组主要研究目标是开发富含地球的元素制成的催化剂，将其用于与合成、能源和可持续性发展相关的化学转化。

严玉山，来自中国吉林，现为特拉华大学化学与生物分子工程系主任，国际著名的分子筛膜专家，近日当选为美国国家工程院院士。

1988 年获中国科学技术大学学士学位，1995 年获美国加州理工学院工学硕士学位，1997 年 6 月获美国加州理工学院化工系工学博士学位。

1996 年至 1998 年任美国 AlliedSignal 公司 Senior Staff Engineer 和 Project Leader。

1998 年 9 月开始在美国加州大学河滨分校化学工程与环境工程系工作，任助理教。2002 年 7 月任副教授，2005 年 7 月晋升为教授。

2006 年被美国加州大学授予大学学者（University Scholar）称号。2010 年获得国际分子筛协会授予的唐纳德布瑞克奖。此外，其在燃料电池（膜与催化）领域也做了很多创新性研究，并获得美国能源部高级能源研究计划署 OPEN 2009 和 OPEN 2012。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01221-5