記者8月22日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉,近日,中國科學(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
電池陽極催化劑,其在陽極含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)1萬次性能幾乎沒有損失,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)
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