【儀表網 研發(fā)快訊】近日，合肥工業(yè)大學化學與化工學院鄭亞榮研究員與魏海兵教授研究團隊聯(lián)合香港城市大學王振斌教授、中國科學技術大學高敏銳教授研究團隊，在陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)陽極催化劑研究領域取得重要進展。相關研究成果以“Multigrain Ruthenium Nanocrystals with Enriched (10-11) Facets for Enhanced Hydrogen Oxidation in Anion Exchange Membrane Fuel Cells”為題，發(fā)表在學術期刊《先進材料》上。
氫氧燃料電池因其高能效和零碳排放的環(huán)保特性，被認為是實現(xiàn)碳中和的重要能源轉換技術。近年來，AEMFC因其更低成本和可持續(xù)性受到廣泛關注，但其陽極氫氧化反應(HOR)在堿性條件下動力學遲緩，即使在鉑族金屬催化劑上也難以實現(xiàn)高效催化，嚴重制約了AEMFC的大規(guī)模應用。
針對這一難題，研究團隊創(chuàng)新性地設計并合成了一種開口結構的六方相釕納米籠(Ru nanocage, Ru NGs)。該催化劑由大量約3.5nm的六方相Ru納米晶組成，在氫氣還原氣氛下，形成了豐富的亞穩(wěn)態(tài)(10-11)晶面。此催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的堿性HOR催化性能，在50mV時的電流密度高達61mA cm-2，為商用Ru/C和Pt/C催化劑的25.6倍和7.8倍，并展現(xiàn)出高達0.3V(相對可逆氫電極)的寬工作電位窗口及優(yōu)異的CO抗中毒能力。
圖1. 原位Ru NGs結構演變表征、結構解析及堿性HOR電催化性能
在AEMFC陽極應用中，結合我校自主開發(fā)的陰離子交換膜，該催化劑在90℃下實現(xiàn)了H2/O2條件1.31W cm-2、H2/空氣條件1.06W cm-2的峰值功率密度，顯示出良好的實際應用潛力。結構表征與理論計算表明，氫氣熱處理誘導形成的(10-11)晶面顯著提高了釕表面的氧化能壘，從而改善了HOR穩(wěn)定工作電壓區(qū)間。
圖2. 高性能AEMFC及理論計算揭示的(10-11)晶面驅動活性提升機制
這一研究為開發(fā)高效、低成本、無鉑的AEMFC陽極催化劑提供了新的思路，對促進氫能關鍵技術的發(fā)展及實現(xiàn)碳中和目標具有重要意義。
本論文的第一作者為我校化學與化工學院博士生孫賢迪、汪濤以及香港城市大學博士生吳佳舜；通訊作者為我校化學與化工學院鄭亞榮研究員、魏海兵教授，香港城市大學王振斌教授以及中國科學技術大學高敏銳教授。
以上研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金、安徽省留學人員創(chuàng)新項目等經費的資助以及合肥工業(yè)大學分析測試中心電鏡平臺的支持。
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