北科大Colloid Surface. A ：层状双氢氧衍生的纳米颗粒锚定氮掺杂碳纳米纤维作为碱性直接燃料电池的高效甲醇电催化剂

第一作者：张冲

通讯作者：于淑艳、李从举

单位：北京科技大学

由于化石能源的过度消耗导致严重的环境问题，因此对环保型能源存储和转换技术的研究日益增多。直接甲醇燃料电池(DMFC)由于其工作温度低、结构简单、能量转化率高、对环境无污染、可作为常规能源的替代品而越来越受到关注。甲醇氧化反应（MOR）被认为是甲醇燃料电池阳极的关键半反应，面临着动力学缓慢的问题。尽管贵金属铂（Pt）基催化剂具有较高的MOR动力学活性而得到广泛的研究，但由于其资源稀缺、价格高昂，以及容易被反应中间体（如CO等）毒化而性能下降，从而在一定程度上阻碍了其应用。因此，设计和开发新型高活性非贵金属基电催化剂变得十分重要。

近日，北京科技大学博士生张冲在期刊《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》上，发表了最新研究成果“Layered double hydroxides-derived CoNi alloy nanoparticles encapsulated by porous N-doped carbon nanofibers as efficient methanol electrocatalysts for alkaline direct methanol fuel cells”。研究者通过静电纺丝和高温热解的方法制备了层状双氢氧化物(LDH)衍生的钴镍合金纳米颗粒封装在多孔氮掺杂碳纳米纤维(CoNi@NCNFs)中，用作碱性直接甲醇燃料电池(ADMFC)的甲醇电氧化反应(MOR)的高效电催化剂。

如图2所示，高温热处理后，CoNi纳米颗粒均匀分散于碳纳米纤维中，高分辨透射电镜下可以观察到石墨碳层包覆的钴镍合金纳米颗粒。此外，所制备的催化剂具有较高的比表面积（214.5 m² g^-1）与多级孔结构，主要归因于CoNi-LDH前驱体及有机物的分解。丰富的孔结构有利于催化活性位点的暴露，同时改善传质和电子传输。

在三电极体系下测试所制备的CoNi@NCNFs催化剂的甲醇氧化活性，可以看出，优化后的CoNi@NCNF3-900催化剂具有较高的电催化活性，在0.7 V的面积比活性为80.3 mA cm^-2。基于CoNi合金的协同效应，CoNi@NCNFs催化剂在长期测试过程中可以保持良好的稳定性。使用CoNi@NCNF3-900催化剂作为DMFC阳极，评估其单电池性能。通过优化甲醇供给流速以及工作温度，单电池最高输出功率密度为29.5 mW cm^-2。在较高的温度下，单电池的输出功率密度随之提高，主要因为较高的温度有利于甲醇分子的扩散，同时增强了MOR的反应动力学。

该项研究以CoNi-LDH为金属源和自牺牲模板基于静电纺丝和高温热解策略设计合成了负载CoNi双金属纳米颗粒的碳纳米纤维电催化剂。碳层包覆CoNi纳米粒子在碱性介质中表现出更好的MOR催化活性和稳定性。这种优异的性能可归因于所制备的催化剂大的比表面积、丰富的多级孔结构以及CoNi合金/碳基质的协同作用。此外,CoNi@NCNFs用于直接甲醇燃料电池阳极，表现出29.5 mW cm^-2的功率密度，表明其具有一定的应用潜力。该研究为设计开发基于LDH前驱体的纳米合金/碳纳米纤维催化剂提供了有价值的参考。

Layered double hydroxides-derived CoNi alloy nanoparticles encapsulated by porous N-doped carbon nanofibers as efficient methanol electrocatalysts for alkaline direct methanol fuel cells

论文第一作者为北京科技大学博士研究生张冲，导师为李从举教授，主要从事纳米纤维、电催化及燃料电池的研究。