科学家研发非铂系金属催化剂，电池每平方厘米峰值功率达488mW
他提到的是瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授团队与美国特拉华大学教授团队合作进行的研究。
他们使用“金属-多孔碳核-壳”结构复合材料（Ni-H2-NH3）作为氢氧化催化剂。 这种非贵金属燃料电池在氢氧条件下峰值功率达到488mW/cm2[2]。 该研究不仅为氢能的高效释放提供了解决方案，也展示了全非贵金属燃料电池未来应用的可能性。
另一位审稿人认为该课题及结果对于阴离子交换膜（Anion，AEM）燃料电池领域具有重要意义。 在这一领域，已有符合性能标准的非贵金属正极，但在此之前，非贵金属负极导致电池性能明显较低。
值得注意的是，全非贵金属燃料电池在过去十几年进展缓慢。 2008年，武汉大学研究团队报道了第一个完全非贵金属的碱性燃料电池，当时的峰值功率为50mW/cm 2 [3]。 但在接下来的14年里，这一纪录仅被提升至76mW/cm2。 这项研究相当于将该领域的记录提高到之前最高记录的6倍以上。
此外，美国能源部还制定了AEM燃料电池发展的长期计划。 其“2030年目标”是使用所有非贵金属，在氢气-空气条件下实现600mW/cm2的峰值功率。 此前，文献测试相关条件下的最佳性能为27mW/cm2。 相比之下，本研究中的燃料电池性能达到了310mW/cm2，这是朝着这一目标“迈出的一大步”。
氢作为一种绿色能源存储介质，未来有望部分取代化石燃料在当代社会的地位。 相应地，该技术具有替代内燃机的潜力，其主要应用场景将在氢能源汽车等长途运输和交通运输方面。
值得一提的是，锂电池汽车目前在短途运输方面具有优异的性能，但由于其自身的特点，这种优异的性能很难延伸到寒冷地区或长途运输。 “氢燃料电池没有这样的限制，这就是两种技术相辅相成的地方。” 说。
此外，氢氧化和析氢互为逆反应，该催化剂还具有优异的析氢性能。 因此，该技术除了燃料电池领域外，还可以应用于电解水制氢领域。
氢燃料电池的“理想拍档”：质子交换膜还是阴离子交换膜？
氢燃料电池作为将氢能转化为电能的装置，是氢经济不可或缺的一部分。 尽管氢燃料电池在20世纪60年代开始受到重视并取得了长足进步，但尚未广泛应用于人类社会的生产生活中。
核心难点之一是主流氢燃料电池基于质子交换膜（PEM），需要在酸性环境下工作。 能够在如此恶劣的环境下驱动燃料电池双极反应的催化剂种类非常有限，而且大多数都离不开昂贵且稀有的铂族金属。
例如，即使采用当前国际先进技术，一辆100kW的汽车也需要约40克铂金属催化剂，按目前的市场价格和汇率计算，约为9000元人民币。 未来，如果燃油汽车全面被氢能源汽车取代，巨大的需求将导致本已昂贵的铂金价格再次上涨，进一步增加成本。 此外，质子交换膜燃料电池的其他组件，包括耐酸钛双极板和全氟化质子交换膜，也价格昂贵且难以更换。 这些因素限制了其工业化大规模生产。
这个问题有可能解决吗？ 近年来，科学家们逐渐意识到PEM系统的局限性，转而研究基于AEM的碱性燃料电池。 碱性工作环境的优点是可以使用不耐酸的廉价材料。
图丨最先进的无铂氢氧化反应催化剂对比（来源：）
理论上，AEM燃料电池相比PEM燃料电池具有巨大的价格优势。 因此，开发AEM燃料电池关键部件的低成本替代品是当前学术界和工业界共同的发展方向。 研究发现，当阴极上的铂被替换为非贵金属催化剂时，燃料电池的性能下降至之前水平的60%，但如果阳极上的铂被替换为非贵金属催化剂作用下，燃料电池的性能只有原来的10%。
由此不难看出，高氧化催化剂的缺乏已成为碱性氢燃料电池发展的瓶颈之一。 由于氢氧化和析氢是彼此的逆反应，因此可以通过相同的催化剂来加速它们的反应速率。
为设计氢氧化催化剂提供指导
教授课题组的研究方向主要包括电解制氢技术、氢燃料电池技术和二氧化碳电化学还原技术。 本研究是课题组之前报道的进一步优化的结果。 此前，他们曾报道过两起镍基氢氧化催化剂的案例[4,5]。
研究团队首先从催化剂的材料选择范围和合成方法入手，也在逐步探索氢氧化反应的机理，以实现更好的催化剂设计。 在项目初期，他们发现文献报道的催化剂都是金属镍，于是他们合成并测试了许多镍与其他金属的化合物，并成功筛选出了氮化镍（Ni3N）作为一种比较有前途的材料。
经过这次筛选，研究人员发现具有氢氧化活性的材料都是金属的。 这也帮助他们确定了后续的合成方法，即通过在管式炉中高温煅烧还原来保证材料的金属丰度。
同时，在尝试优化金属镍基材料的活性后，他们发现使用金属有机骨架热解产生的金属碳复合材料的方法非常适合合成氢氧化催化剂。 通过控制反应条件，可以制备出颗粒极小、分散均匀的镍纳米粒子，使材料具有较大的表面积。 此外，有机配体原位碳化形成的碳层也可以调节催化剂的活性。
图丨镍基催化剂的合成及透射电镜图（来源：）
“基于课题组前期研究析氢反应的丰富经验，我认为研究析氢反应的经验可以用于研究氢氧化反应。这就是我决定开发氢氧化催化剂的原因。” 说。
但发现这种催化剂只是“第一步”。 很长一段时间以来，研究团队都没有找到更好的方法来了解其高活性。 一般来说，氢气氧化机理的研究需要获得催化剂和一些关键反应中间体的结合能信息。
铂族金属因其能在很宽的电位范围内保持稳定并具有清晰的金属-氢特征峰而成为氢氧化反应机理的主要研究对象。 然而，镍不满足这些条件。 此外，不同的材料不一定遵循相同的活性描述符，并且从先前对铂族金属的研究中得出的机制可能不适用于镍。
为了了解催化剂与氢气的结合能力，团队与EPFL的另一个热催化研究小组合作，从氢气的化学吸附行为推导出金属与氢气的结合强度； 他们还通过同位素实验和一系列对照实验进行了验证。 提出这个猜想是为了探索氢氧结合能是否是镍催化剂的活性描述符。
图丨测得的氢氧化反应活性与氢结合能和氢氧根结合能的相关性（来源：）
研究中的另一个关键挑战是燃料电池的测试。 这一步是将实验室准备好的材料实际应用到设备上，测试其在实际工况下的性能。 燃料电池的工作温度、电极结构以及电极表面的微环境与实验室单独测试材料活性的条件完全不同。 在许多情况下，实验室测量的高活性材料在设备上的反映并不好。 性能方面。
而且，镍催化剂的结构和各种物理化学性质也与实验室常用的铂催化剂不同。 需要大量的时间和精力来优化和调整燃料电池的电极组件和各种参数。 最终，通过两个课题组的通力合作，取得了优异的成绩。 其中，教授课题组负责催化剂的合成、表征及机理研究，而教授课题组则以燃料电池测试为主要研究方向。
图丨相关论文（来源：）
相关论文发表于[2]，标题为“A high for Fuel Cells”（）。 洛桑联邦理工学院的博士生和特拉华大学的博士后研究员是该论文的共同第一作者。 洛桑联邦理工学院教授和特拉华大学教授是该论文的共同通讯作者。
该团队使用的金属-多孔碳复合材料对于氢氧化反应非常有效。 近年来，该领域越来越多的研究小组报道了具有该结构的高活性氢氧化催化剂。
另一方面，本研究提出的机理研究可以为未来氢氧化催化剂的设计提供指导。 表示：“除了公认的氢结合能外，我们还发现氢氧结合能也是影响镍氢氧化活性的描述符。虽然之前已经有其他工作提出过这一点，但目前还没有确凿的实验结果。”证据支持它，我们的机械研究工作证实了这一点。”
虽然这项技术目前与之前相比有了明显的突破，但离实际应用还有很长的路要走。 他指出，一方面，催化剂的活性仍远远落后于铂； 另一方面，非贵金属的稳定性有待提高。 这里的稳定性不仅包括其运行过程中的稳定性，还包括催化剂的高电位稳定性和空气稳定性。
除了优化催化剂本身外，他们还计划在燃料电池电极层面进行系统优化，以便在装置中体现出高活性的催化剂性能。 “未来，我预计非贵金属催化剂在活性和稳定性方面将真正与贵金属相媲美。如果能够实现这一点，我们距离氢燃料电池汽车的大规模商业化就不远了。” 说。
“走出实验室”成立初创公司研发氢能源新材料
2023年初，一家以新型羟基交换膜和催化剂材料为主要方向的初创公司在洛桑联邦理工学院创新科技园成立。 这是研究团队从实验室研究走向科研成果转化的重要一步，得到了洛桑联邦理工学院、业界和瑞士政府的大力关注和支持。
如果说催化剂材料是氢燃料电池的心脏，那么羟基交换膜就是氢燃料电池的肺。 新型羟基AEM及催化剂材料有望突破现有技术瓶颈，实现电解制氢技术和氢燃料电池技术的商业化，并使其经济高效。
氢氧化物交换膜是一层厚度只有几十微米的薄膜，比人的头发还细。 其主要作用是在阴极和阳极之间传输氢氧根离子，同时阻止氢和氧的混合。 氢氧根交换膜必须做得尽可能薄，以降低氢氧根离子的传输阻力，提高电池性能。 同时，它还需要具有良好的强度，因为一旦发生破裂，即使是针孔大小的缺陷，氢气和氧气也可能混合并引起燃烧甚至爆炸。