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m6体育:材料m6体育刘静副教授、姜鲁华教授在碱性氢氧燃料电池再获突破!

碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)是基于阴离子交换膜的一种新兴燃料电池技术,其有望从根本上摆脱燃料电池对贵金属催化剂的依赖,可大幅降低燃料电池的成本。然而,在碱性电解质中,阳极氢氧化反应(HOR)的动力学过程比在酸性电解质中低2-3个数量级。因此,开发低成本、高活性、高稳定性的HOR电催化剂对于促进AEMFCs的实际应用非常迫切。

针对AEMFC面临的HOR电极反应动力学慢、非贵金属催化剂本征活性低、稳定性差关键科学技术问题,材料m6体育刘静副教授、姜鲁华教授提出“内外兼修”的多尺度限域调控策略,从内核金属组成、结构以及外壳碳层厚度、孔径等进精准调控催化剂电子结构和微纳结构,创制新型高活性、高稳定性非贵金属HOR催化剂体系。团队近年来在限域调控非贵金属表面催化碱性HOR方面获得系列进展,相关工作发表在Chem. Eng. J., 2023, 472, 145009、Chem. Eng. J. 2023, 468, 143438、Chem. Eng. J., 2023, 464, 142692、Chem. Eng. J. 2023, 454, 139959。

近期,材料m6体育泰山学者姜鲁华团队在Ni基HOR催化剂的研究方面再获进展,相关成果以“Optimizing Nickel Orbital Occupancy via Co-modulation of Core and Shell Structures to Accelerate Alkaline Hydrogen Electro-Oxidation Reaction”为题,发表在国际材料学科顶级期刊Advanced Functional Materials上(影响因子19.0)全文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202315062。该工作以青岛科技大学为唯一单位,材料m6体育姜鲁华教授、刘静副教授为共同通讯作者,材料m6体育2021级硕士研究生于婉晴为第一作者。

在该工作中,研究人员报道了一种通过原位纳米粒子-配体组装低温碳化策略可控合成氮掺杂碳壳包覆的NiCu纳米颗粒。所制得的Ni93Cu7@NC催化剂核心为Ni和金属间化合物Cu3.8Ni异质结构。该催化剂具有优异的HOR活性及稳定性,是目前最先进的Ni基HOR催化剂之一。在AEMFC中,电池可以提供高达381 mW cm-2的峰值功率密度。实验和理论研究表明,NiCu核和氮掺杂碳界面处电子的重新分布减少了s-s成键轨道和dz2/yz-p反键轨道的电子占据,从而优化了氢结合能(HBE)和氢氧结合能(OHBE),Ni93Cu7@NC催化剂催化HOR所需热力学能量最低。

上述研究为新一代非贵金属催化剂的设计及活性、稳定性提升策略提供理论指导,推动高效、低成本AEMFC技术发展。以上研究获得国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省泰山学者计划等项目的资助。


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图1 催化剂设计原理概念图.

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图2 碱性介质中催化剂HOR催化活性及稳定性.


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图3 HOR相关理论计算


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