中国科学院中国科学技术大学高敏瑞教授团队研发出高电阻镍(Ni)基阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)阳极催化剂对氨(NH3)有毒性。该工作发表在《美国化学会杂志》上。

研究人员设计耐氨镍基燃料电池催化剂

氢燃料电池作为一种高比能量、无污染的电源在当前能源工业中发挥着重要作用。然而，商用铂碳(Pt/C)催化剂在氢燃料电池中容易受到氨中毒，导致性能下降。更糟糕的是，铂基催化剂上的氢氧化在碱性膜燃料电池中动力学缓慢，这与氨中毒协同作用加速了性能下降。因此，AEMFC的应用中迫切需要一种高活性、高抗氨中毒能力的新型阳极催化剂。

研究人员推断，Ni位点周围的电子富集可以排斥NH3的孤对电子供给，而掺入电负性比Ni小的金属元素可以提供电子以获得富电子态。通过将铬(Cr)掺杂到高效氢氧化催化剂钼镍合金(MoNi4)中，该团队不仅获得了Ni的富电子态来抑制σN-H→d金属的电子供给，而且还移动了d-能带中心向下，阻止d→σ*NH的反向电子供给，这两者都大大削弱了氨的吸附。

转盘电极(RDE)测试表明，Cr掺杂催化剂Cr-MoNi4在2ppmNH3存在下经历了10,000次循环，没有明显的活性衰减，而传统的Pt/C催化剂在此条件下经历了严重的衰减。在实际的碱性膜燃料电池中，以Cr-MoNi4作为阳极组装可以在10ppmNH3下保持95%的初始峰值功率密度，而相比之下，Pt/C催化剂为65%。

结果表明，Cr改性剂产生了富电子态，有效抑制了σN-H→d的供应，但也使d带中心下移，并且较少的d带填充也限制了d电子向氨σ*NH轨道的供应，从而协同削弱NH3结合。总之，Cr-MoNi4可用作高效、高抗NH3且经济高效的AEMFC阳极负HOR催化剂。

转盘电极测试表明，Cr-MoNi4在2ppmNH3循环10,000次后没有表现出明显的成分和结构变化，而铂-碳催化剂的性能严重损失。如果放入AEMFC中，用Cr-MoNi4组装的装置可以在10ppmNH3存在的情况下保留其初始峰值功率密度的95%。

衰减全反射表面增强红外吸收光谱(ATR-SEIRAS)测量表明，无CrMoNi4和商业Pt/C催化剂在不同电位下表现出氨吸附行为，而Cr调制催化剂没有表现出NH3吸附峰。电子能量损失谱(EELS)和电子顺磁共振(EPR)测量也表明Cr的掺入增加了d带态的占据。

高教授课题组一直致力于AEMFC非贵金属电催化剂的开发与应用。这些发现将推动未来对不含铂族金属(PGM)的催化剂的研究，这些催化剂可抵抗氢燃料电池中杂质气体的中毒。