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- 大数跨境

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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

科学材料站

2020-11-10

导读：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。

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

通讯作者介绍

Yushan Yan，特拉华大学化学与生物分子工程学院Henry B. du Pont讲席教授。

Yan课题组致力于碱性膜燃料电池方面的研究，开发了超高稳定性阴离子交换膜，并创立W7energy公司将其产业化；在碱性条件下的电催化机理方面进行了深入研究，解释了影响催化剂活性的主要因素，为制备新型催化剂奠定了基础。在Nature Nanotechnology、Nature Energy、Nature Communications、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表多篇论文。获得国际分子筛学会（IZA）Donald Breck奖，美国化工学会（AIChE）Nanoscale Science and Engineering Forum Award，Braskem Award for Materials Science and Engineering，电化学会（ECS）Energy Technology Division Research Award。入选美国科学促进协会会员（AAAS fellow）、电化学会会员（ECS fellow）。

https://cbe.udel.edu/people/faculty/yanys/

庄仲滨，北京化工大学教授，博士生导师。

2001~2010年在清华大学化学系学习，分别获得化学专业学士、博士学位。随后在美国加州大学河滨分校和美国特拉华大学从事博士后研究。2015加入北京化工大学化工学院任教授，入选国家海外人才计划青年项目。其研究工作主要针对电化学能源转换器件，特别是基于碱性（膜）电解质的新型电化学能源转换器件、如碱性膜燃料电池，碱性膜电解水、锌空气电池等开展。主要从事上述电化学器件中的电催化材料设计与合成，催化反应机理，以及器件的结构设计与优化研究。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem等期刊发表论文50余篇。

https://chem.buct.edu.cn/2019/1217/c5531a70837/page.htm

第一作者介绍

薛延荣，北京化工大学博士生。

Lin Shi，特拉华大学博士生。

课题组招聘

课题组长期招聘燃料电池膜电极方向的博士后、教师，如有兴趣可与庄老师联系（zhuangzb@mail.buct.edu.cn）