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氫氧燃料電池由于比能量高和零排放等優(yōu)點(diǎn)，有望在國(guó)家雙碳戰(zhàn)略中扮演重要的角色。然而，商業(yè)鉑碳（Pt/C）催化劑極易吸附氫氣燃料中的CO而導(dǎo)致中毒休克。特別地，在堿性膜燃料電池中，鉑基催化劑的氫氣氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，其與CO毒化協(xié)同作用，加速電池性能的衰退。因此，設(shè)計(jì)并創(chuàng)制高活性、高抗CO毒化的新型陽(yáng)極催化劑是堿性膜燃料電池實(shí)用化需要解決的難題。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授課題組與楊晴教授課題組合作，通過(guò)引入少量鈷改良鉬鎳合金催化劑，創(chuàng)制出一種低成本、CO耐受性好的非貴金屬氫氧化催化劑。相關(guān)成果以“Suppressing Electron Back-Donation for a Highly CO-tolerant Fuel Cell Anode Catalyst via Cobalt Modulation”為題發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed.2022,61, e202208040）。

理論計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，將鈷引入鉬鎳合金中，鎳位點(diǎn)上的CO吸附能顯著降低（圖1）。這是因?yàn)殁捯牒髸?huì)帶來(lái)缺電子的鎳位點(diǎn)，削弱了鎳的d軌道對(duì)CO的2π*的電子“反向供給”，有利于降低催化劑對(duì)CO的吸附能力。態(tài)密度圖結(jié)合系列電子結(jié)構(gòu)表征揭示Co-MoNi4催化劑的d帶中心遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)，電子“反向供給”不能有效發(fā)生，有望帶來(lái)高的CO耐受性。

圖1.理論計(jì)算。(a-c) CO吸附示意圖；(d-f) Co-MoNi4(211)的CO吸附位置示意圖；(g) CO吸附能對(duì)比圖；(h) 鎳的3d態(tài)密度圖。

旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極測(cè)試表明，當(dāng)氫氣燃料中含有500 ppm CO時(shí)，催化劑循環(huán)10000次后活性幾乎不衰減。研究人員進(jìn)一步考察了催化劑在膜電極組裝下的抗CO毒化性能，發(fā)現(xiàn)即使在含有250 ppm CO的氫氣燃料中，Co-MoNi4催化劑也能提供394 mW cm-2的峰值功率密度（圖2），超過(guò)Pt/C催化劑的209 mW cm-2。而在純氫燃料中，該催化劑的峰值密度可達(dá)到525 mW cm-2，處在目前非貴金屬催化劑前列。該工作被評(píng)選為VIP論文和Frontispiece（卷首插畫(huà)）論文（圖3）。

圖2.(a, b) 不同CO濃度下的氫氧燃料電池性能測(cè)試；(c) 峰值功率密度對(duì)比圖；(d) 電流密度 (0.7V) 對(duì)比圖；(e, f)電化學(xué)阻抗譜圖。

圖3.該工作被選為VIP論文和Frontispiece論文。

論文的共同第一作者為中國(guó)科大博士研究生楊宇、高飛躍博士、張曉隆博士和秦帥碩士。相關(guān)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省重點(diǎn)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202284262

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、科研部）