Yushan Yan/庄仲滨NC：高活性、高稳定性RuNi碱性膜燃料电池氢气氧化催化剂，有望大幅降低碱性膜燃料电池阳极催化剂成本

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文章信息

一种基于RuNi的高活性、稳定、低成本碱性膜燃料电池无铂阳极催化剂First published: November 06，2020第一作者：薛延荣，Lin Shi通讯作者：Yushan Yan*，庄仲滨*单位：北京化工大学、特拉华大学

研究背景

氢燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的高效能量转换装置。然而，目前广泛使用的质子交换膜燃料电池依赖于昂贵的Pt基催化剂和全氟磺酸膜，过高的成本阻碍了它们的大规模商业化应用。碱性膜燃料电池(HEMFCs)与质子交换膜燃料电池在结构上相似，但在碱性介质中运行，由于可以使用非贵金属电催化剂和更便宜的双极板，因此受到了广泛关注。
特别是近年来，一些高稳定性的碱性膜被报道，同时使用Pt基催化剂的HEMFCs峰值功率密度超过1 W cm−2，展现出HEMFCs巨大的潜力。在此基础上，如能使用非Pt催化剂并保持高的电池性能，将可能实现低成本的燃料电池，并促进燃料电池的实用化。对于HEMFCs，碱性条件下的阴极氧还原（ORR）催化剂已有较多的报道，如Ag、MnCo氧化物、Fe-N-C类材料等。但是对于阳极氢气氧化（HOR）催化剂，目前仍然依赖于Pt基催化剂。
此外，由于在碱性条件下HOR动力学相对较慢，HEMFCs往往需要在阳极使用高载量的Pt基催化剂，这促使我们需要发展非Pt基HOR催化剂以降低成本。

文章简介

近日，北京化工大学庄仲滨教授和特拉华大学Yushan Yan等在国际期刊Nature Communications上发表题为“A highly-active, stable and low-cost platinum-free anode catalyst based on RuNi for hydroxide exchange membrane fuel cells”的研究工作。
该工作报道了一种无铂催化剂Ru7Ni3/C，它在旋转圆盘电极和膜电极组件测试中均显示出优异的HOR反应活性。旋转圆盘电极实验测得Ru7Ni3/C的HOR质量活性和比表面活性分别是Pt/C的21和25倍，并且是目前最好的碱性HOR催化剂PtRu/C的3和5倍。
更为重要的是，该Ru7Ni3/C催化剂在HEMFCs膜电极测试中，也展现出优异的性能。使用Ru7Ni3/C为阳极的HEMFC在95°C下峰值功率密度达到2.03 W·cm-2(氢氧电池)和1.23 W·cm-2(氢空电池)，超过使用PtRu/C阳极催化剂的HEMFC。同时，该HEMFC也具有良好的耐久性，在100小时的稳定性测试中电压损失小于5%。Ru7Ni3/C优异的HOR活性来源于Ru与Ni的合金化削弱了Ru与H的键合，同时表面NiOx的存在增强了水的吸附，两方面共同作用使Ru7Ni3/C对于H的表观结合能达到最优值。
此外，Ru与Pt相比具有相对较低的价格，同时Ru7Ni3/C的高活性可以降低阳极催化剂载量。因此，使用Ru7Ni3/C的HEMFC阳极催化剂成本仅为使用PtRu/C阳极HEMFC的15%，具有极佳的经济性。

本文要点

要点一：成功合成了一种高性能的无铂HOR催化剂Ru7Ni3/C。在RDE测试中，该催化剂的质量活性分别是Ru/C、Pt/C和PtRu/C的33、21和3倍。
要点二：使用Ru7Ni3/C作为阳极催化剂的HEMFC展现出优于使用PtRu/C的电池性能，其峰值功率密度高达2.03 mW·cm-2（氢氧电池）和1.23 mW·cm-2（氢空电池）。该电池在100小时测试后电压衰减小于5%，展现出优异的稳定性。同时，使用Ru7Ni3/C的HEMFC阳极催化剂成本可以下降85%。
要点三：Ru7Ni3/C催化剂的高HOR活性源于优化的HBEapp，这归因于Ni对Ru的合金化作用以及表面NiOx对于水吸附的增强。

文章链接

A highly-active, stable and low-cost platinum-free anode catalyst based on RuNi for hydroxide exchange membrane fuel cells

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19413-5

相关链接https://www.nature.com/articles/s41467-020-19413-5

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