Small:用于碳酰肼电氧化反应的高活性钯镍纳米催化剂

随着能源和环境问题日益突出,燃料电池作为一种将化学能转换为电能的装置,因其高效、清洁而备受关注。目前,以氢气为燃料的聚合物膜燃料电池以其功率密度大、能量转换效率高、启动速度快、环境污染小等众多优点,可广泛应用于便携式电源、紧急备用电源、电动汽车等领域,成为目前发展最快、技术最为成熟的一类燃料电池。然而由于氢气在常温常压下为小分子气体,存储、运输及加注受到很大限制,制约了燃料电池的大规模商业化推广。因此,发展基于液体或固体燃料的聚合物膜燃料电池受到广泛关注。

碳酰肼是一种低毒性的肼衍生物,常温下以固体形态存在,便于存储和运输;完全氧化反应的产物对环境无污染;直接碳酰肼燃料电池的理论电动势(1.65 V)和理论能量密度(4.2 kWhL-1)较高。因此,碳酰肼有望作为新型燃料应用于聚合物膜燃料电池。但目前碳酰肼电氧化催化剂的催化活性较差,催化电流密度较低、过电位较高,解决这些问题需要深入理解碳酰肼电氧化反应历程和催化机制。

北京航空航天大学卢善富研究员(个人主页http://sse.buaa.edu.cn/info/1083/1641.htm)、王海宁副教授(个人主页http://sse.buaa.edu.cn/info/1083/1643.htm)及其研究团队通过简单液相还原法制备出钯镍纳米合金,在优化的钯镍比例下,对碳酰肼氧化反应的催化电流密度相比钯纳米催化剂提升约3倍,并且过电位降低约50 mV。密度泛函计算表明镍原子的引入改变了碳酰肼分子在金属表面的吸附,将计算得到的碳酰肼分子在不同比例钯镍金属表面的吸附能与催化电流密度建立了火山型关系。根据这一关系图,镍对碳酰肼分子吸附过强,钯对碳酰肼分子吸附相对较弱,在合适的钯镍原子比例时,催化剂对碳酰肼分子的吸附较为合适,导致其催化活性提升。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201900929)上,并于当期Back Cover做简要介绍。文章的第一作者是北京航空航天大学空间与环境学院硕士生郭敏,通讯作者为北京航空航天大学卢善富研究员和王海宁副教授。