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?中科大Angew.：Ni/V2O3的界面抑制Ni過(guò)度氧化，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定催化堿性HOR

質(zhì)子交換膜氫燃料電池(PEMFC)技術(shù)在燃料電池汽車的商業(yè)應(yīng)用中發(fā)展迅速，該技術(shù)可直接將氫能轉(zhuǎn)化為零排放的電能。然而，該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用受到的鉑族金屬(PGM)催化劑高成本的嚴(yán)重限制，因?yàn)镻EMFCs嚴(yán)重依賴于PGM催化劑來(lái)克服陰極中緩慢的氧還原反應(yīng)(ORR)。作為一種替代，陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)可以采用高效無(wú)PGM電催化劑。

然而，在堿性介質(zhì)中，PGM催化劑上的陽(yáng)極氫氧化反應(yīng)(HOR)的活性非常慢，比在酸性介質(zhì)中慢2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，探索和開(kāi)發(fā)在堿性電解質(zhì)中具有高性能的無(wú)PGM HOR催化劑是AEMFC技術(shù)成功的關(guān)鍵。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏和余自友等通過(guò)界面工程策略來(lái)設(shè)計(jì)一種低成本的Ni/V₂O₃異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑，該催化劑可以高效、穩(wěn)定地催化堿性HOR。

Ni/V₂O₃催化劑的固有交換電流密度較高，為0.038 mA cm^?2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單個(gè)Ni和V₂O₃催化劑。HOR催化劑的CO耐受性是實(shí)際氫燃料電池的一個(gè)重要參數(shù)，因此研究人員評(píng)估了Ni/V₂O₃和Pt/C催化劑在CO存在下的HOR活性。Ni/V₂O₃催化劑即使在1000 ppm CO存在時(shí)，仍然保持著優(yōu)異的HOR活性。

然而，在相同的條件下，Pt/C催化劑損失了大部分的HOR活性，表明Ni/V₂O₃催化劑具有優(yōu)越的CO耐受性。此外，該Ni/V₂O₃異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑在連續(xù)運(yùn)行16 h后，具有良好的穩(wěn)定性，保留了初始HOR電流密度的98.5%，遠(yuǎn)優(yōu)于大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的無(wú)PGM HOR催化劑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，該催化劑顯著的HOR反應(yīng)活性和耐久性可歸因于Ni/V₂O₃界面位點(diǎn)；與純的Ni催化劑相比，Ni/V₂O₃在惡劣的富羥基環(huán)境下可以優(yōu)化氫和羥基結(jié)合，保護(hù)金屬Ni免受過(guò)度氧化以穩(wěn)定金屬反應(yīng)位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)持久穩(wěn)定地催化HOR。總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)研究揭示了界面工程多組分設(shè)計(jì)策略對(duì)開(kāi)發(fā)無(wú)鉑族無(wú)金屬、高效、穩(wěn)定的HOR電催化劑的重要意義。

Interfacial Engineering of Ni/V₂O₃ Heterostructure Catalyst for Boosting Hydrogen Oxidation Reaction in Alkaline Electrolytes. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202217275

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