催化剂设计提高阴离子交换膜燃料电池的性能

燃料电池是一种能量转换解决方案，它通过电化学反应产生电能，无需燃烧，因此不会造成地球空气污染。这些电池可以为各种技术提供动力，从电动汽车到便携式充电器和工业机器。

尽管燃料电池具有诸多优势，但迄今为止推出的许多燃料电池设计都依赖于昂贵的材料和贵金属催化剂，这限制了它们的广泛应用。阴离子交换膜燃料电池 (AEMFC) 可以帮助解决这些挑战，因为它们基于地球上储量丰富、成本低廉的催化剂，因此价格更实惠。

近年来，全球许多研究团队都在设计和测试新型AEMFC。虽然一些现有装置取得了令人鼓舞的成果，但大多数用作催化剂的非贵金属被发现容易发生自氧化，从而导致电池不可逆失效。

重庆大学和拉夫堡大学的研究人员最近设计出一种可以防止 AEMFC 金属镍电催化剂氧化的策略。该策略在《自然能源》的一篇论文中介绍，需要使用一种新设计的由量子限制的金属镍纳米粒子组成的量子阱催化结构 (QWCS)。

“AEMFC 中用于催化氢氧化反应的非贵金属容易发生自氧化，从而导致不可逆的故障，”周媛媛、袁伟及其同事在论文中写道。“我们展示了一种 QWCS，它由原子级限制在碳掺杂的 MoO x / MoO x异质结 (C-MoO x /MoO x ) 内的 Ni 纳米颗粒构成，可以选择性地从氢氧化反应中转移外部电子，同时保持其本身的金属性。”

QWCS 是一种具有量子阱特性的纳米结构，可以增强催化活性。研究人员构建的新型 QWCS 由 Ni 纳米粒子组成，这些粒子被原子限制在异质结中，异质结由结晶的碳掺杂 MoOx (C-MoOx) 作为低能谷，非晶态 MoOx 作为高能垒。

他们设计的催化剂名为 Ni@C-MoOx，可以选择性地转移通过氢氧化反应催化产生的外部电子，而无需将电子从 Ni 催化剂转移到 QWCS 的谷底。这种选择性电子转移使催化剂具有抗电氧化能力，从而保护燃料电池免于退化和故障。

Ni@C-MoOx催化剂在恶劣条件下连续运行 100 小时后仍保持出色的 HOR 催化稳定性，用于制造阳极催化碱性燃料电池。该燃料电池取得了显著的效果，表现出 486 mW mg NI -1的高比功率密度，并且在反复关机-启动循环后性能没有下降。

Zhou、Yuan 及其同事写道：“Ni 纳米粒子的电子获得了 QWCS 提供的 1.11 eV 的势垒，从而使 Ni 相对于可逆氢电极 (V RHE ) 的稳定性高达 1.2 V，而氢气吸附后 QWCS 的门控操作使氢氧化反应释放的电子很容易越过势垒。”“QWCS 催化的 AEMFC 实现了 486 mW mg Ni −1的高功率密度，并在关机-启动循环期间经受住了氢气不足操作，而没有 QWCS 的对应 AEMFC 在单个循环中就失效了。”

该研究团队设计和构建的新型催化结构很快将用于开发成本效益更高的 AEMFC，这种 AEMFC 更加可靠，不会随着时间的推移而迅速退化。其底层设计策略还可用于制造其他有前途的催化剂，利用量子限制来防止非贵金属的电氧化。