南京理工大学郝青丽教授，JMCA综述：首次对氨硼烷直接作为碱性燃料电池阳极燃料的总结与展望

第一作者：于佳

通讯作者：郝青丽*

单位：南京理工大学

燃料电池因其优异的性能被学者们广泛研究，其中以氢氧燃料电池研究最为广泛，但因其阳极燃料氢气运输存储困难、存在安全隐患等问题限制了其发展，于是需要寻找一种可替代的高效阳极燃料。氨硼烷（NH₃BH₃，AB）作为不含碳的燃料，分子本身含氢量高达19.5%，而且在pH值大于6.5的溶液中稳定存在，所以用AB作为阳极燃料的直接氨硼烷燃料电池（DABFC）具有很好的应用前景。

DABFC以AB作为阳极燃料，空气（O₂）作为阴极燃料，氢氧化钾作为电解质，具有很高的理论容量（5200 mAh g^-1）和能量密度（8400 kWh g^-1）。AB电氧化反应（ABOR）具有比氢的氧化（HOR，-0.828 V vs. SHE）更负的氧化电位(-1.216 V vs. SHE)，使得燃料电池的工作电压窗（1.616 V）更宽，更有利于实际应用。

近日，南京理工大学的郝青丽教授团队在Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Ammonia borane as an efficient direct fuel in alkaline fuel cell: mechanism, catalysts, applications, and challenges”的综述文章。

该文章总结了氨硼烷直接用作碱性燃料电池阳极燃料的研究现状，包括其催化机理，催化剂发展，应用以及挑战，这是首次对氨硼烷在直接燃料电池领域的应用进行总结与展望。

图文摘要：氨硼烷直接作为燃料的催化机理，催化剂发展以及应用现状

同大多数催化反应相似，氨硼烷直接用作阳极燃料被氧化的反应也是一个多步骤过程。完整的氨硼烷氧化反应是一个6e^-反应过程，以五配位中间态形式BH_5−n(OH)_n²⁻(n=2−4)逐步进行。但是，因存在竞争副反应-氨硼烷水解产氢，导致实际反应过程往往达不到6e^-转移，为提高氨硼烷的直接利用率，催化剂的选择尤为关键。

要点二：氨硼烷直接作为阳极燃料的催化剂发展

氨硼烷氧化最早是在金圆盘电极上被研究，随着人们对其催化机理的深入探究，其催化剂也进一步发展。根据金属种类，催化剂可分为贵金属催化剂、贵金属基合金催化剂以及过渡金属催化剂。与贵金属基催化剂相比，过渡金属催化剂表现出更优的催化活性与应用前景，除此之外，催化剂的结构设计也尤为关键。

研究表明，催化剂粒径大小，分散均匀程度，多孔结构以及本征电子结构等都对其催化氨硼烷氧化的活性有着不容小觑的影响。然而，如何在提高催化剂催化氨硼烷氧化活性的同时抑制其对氨硼烷水解产氢的反应仍需要进一步探究优化。

要点三：氨硼烷直接作为阳极燃料的应用与挑战

氨硼烷燃料电池以氨硼烷为阳极燃料，氧气（空气）为阴极燃料，氢氧化钾为电解质，其理论工作电位窗口可达1.616 V。虽然许多工作表明氨硼烷燃料具有实际应用前景，但在实际应用过程中发现部分离子与中性分子会透过隔膜到达阴极室，造成阴极反应的性能衰减，从而导致整个氨硼烷燃料电池的效能损失。另外，竞争副反应-水解产氢的存在会带来一定的安全隐患，因此，氨硼烷燃料电池距离大规模实际应用仍存在许多问题亟待解决。

要点四：氨硼烷直接作为阳极燃料的展望

氨硼烷燃料电池无论从理论还是实际出发，都具有乐观的应用前景，但在大规模实际应用前仍存在一些问题需要解决：

催化剂的优化：高效催化氨硼烷直接氧化，最大程度地抑制副反应-水解产氢。

电池组装技术的优化：隔膜的设计-抑制阴极和阳极室的无效离子、分子交叉；电解质的优化-加入可抑制氨硼烷水解的有效添加剂。

Ammonia borane as an efficient direct fuel in alkaline fuel cell: mechanism, catalysts, applications, and challenges

DOI: 10.1039/D2TA03062D

郝青丽教授简介：南京理工大学化学与化工学院教授，博士生导师。德国雷根斯堡大学化学博士，南京理工大学工学博士。曾入选教育部新世纪优秀人才、江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才、江苏省省六大人才高峰、江苏省高校优秀科技创新团队带头人等人才计划。担任Microchimica Acta、Universal Journal of Electrochemistry期刊编委。

作为项目负责人，先后主持国家重点研发计划、国家自然科学基金国合重点等省部级以上项目20余项，合作出版中文著作1部，参编英文著作2部。发表SCI学术论文210余篇，他引7000余次。曾获省部级科技奖励一等奖2项。主要研究方向：新型功能纳米复合材料的可控制备、微/纳米结构的设计和组装，以及在能源与环境领域的应用研究。

于佳，南京理工大学化学与化工学院2019级在读博士，主要研究方向是氨硼烷燃料电池阴阳极高效催化剂的设计、合成及其催化性能研究，目前以第一作者/共一身份发表SCI论文4篇。

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