Advanced Sustainable Systems:碱性氢氧化反应中非贵金属NiMo电催化剂的负载效应

低温燃料电池是一种能在低温下将化学能直接转化为电能的发电装置,被认为是氢能源利用的关键技术组成。根据工作原理,低温燃料电池主要可分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和阴离子交换膜燃料电池(AEMFC),后者因为使用廉价的膜、空气回路和双极板结构,具有更好的经济性。然而,含铂族金属(PGM)催化剂对AEMFC阳极氢氧化反应(HOR)的催化活性仅有PEMFC的1%左右,故AEMFC阳极催化剂往往需要非常大的Pt负载,而无PGM的催化剂对HOR的催化反应仅有PGM催化剂的1%。根据目前的双功能机制,非贵金属和亲氧过渡金属能改变H和OH的结合能,从而调节HOR的反应活性,例如NiMo催化剂中的Mo能通过配位作用调节Ni物种的H结合能,并提供额外的OH吸附位点,从而促进HOR速控步的反应速率。

针对这一领域,韩国科学技术院Jinwoo Lee及合作者提出了一种引入大孔径N掺杂多孔碳载体,用于提高无PGM的NiMo催化剂对HOR催化活性的策略。得益于这种负载效应,该NiMo催化剂可以使H和OH结合能向Ni和Mo的最佳能量移动,从而明显改善对HOR的催化活性。

在本工作中,作者首先将NiMo与各种碳骨架结合,并在550℃,H2/Ar氛围下进行热分解,合成了负载在Vulcan XC-72R上的NixMoy催化剂,并通过硬模板法,以尿素为原料制备了氮化中空纤维泡沫碳(N-MSUF-C)。TEM和BJH表征显示,将34wt%的NiMo纳米粒子掺入N-MSUF-C后,大孔的体积显著减少,表明纳米颗粒主要进入了N-MSUF-C的大孔。

NiMo/N-MSUF-C制备完成后,作者通过EDX、XRD、XPS、XANES和EXAFS等方法对其进行了成分和结构表征。之后,作者使用RDE系统进行了了多步计时电流法实验,以确定NiMo/MSUF-C和NiMo/N-MSUF-C在键碱性电解液中的HOR活性,结果显示,NiMo/N-MSUF-C的交换电流密度比NiMo/MSUF-C高出约2倍,表现出更好的HOR活性。此外,本文还研究了载体孔径对HOR性能的影响,发现孔径效应可以促进OH-的扩散并增加金属利用率。

最后,作者测试了基于NiMo/N-MSUF-C的AEMFC单电池的性能,在60 °C、200 sccm H2和200 sccm O2的运行条件下,功率密度达到了152 mW cm-2(阳极负载为1.0 mg cm-2),该性能高于之前报道的所有无PGM催化剂。

Effect of Support for Non-Noble NiMo Electrocatalyst in Alkaline Hydrogen Oxidation

Jinkyu Park, Jue-Hyuk Jang, Ahryeon Lee, Seongbeen Kim, Seunghyun Lee, Sung Jong Yoo, Jinwoo Lee

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100226

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100226

原创署名:潘奕辰