单位：中国科学技术大学
【研究背景】
镍氢电池因其安全性高、环境友好、寿命长等优点被认为是大规模储能领域最有前途的储能系统解决方案之一。 但传统镍氢电池负极普遍采用铂族贵金属催化剂，限制了其民用储能应用。 开发资源丰富的非贵金属催化剂替代传统铂族催化剂是实现镍氢电池大规模储能应用的重要策略。 在非贵金属催化剂中，镍基催化剂表现出良好的HER/HOR催化性能。 然而，目前镍基催化剂的HER/HOR催化活性远不如铂族催化剂，难以满足实际应用的需要。 因此，设计和制备高活性非贵金属催化剂是实现高性能、低成本镍氢电池的关键。
【文章介绍】
针对上述问题，中国科学技术大学陈伟教授团队在ACS Nano期刊上发表了题为“Non-Noble Metal High-Alloy-Based for Long-Life Gas”的文章。 本文通过在泡沫铜上原位生长非贵金属高熵合金催化剂构建了非贵金属高熵合金催化电极（NNM-HEA@CF）作为HER/HOR双功能氢催化适用于镍氢 (Ni-H2) 电池。 负极。 该电极在50 mV电位下的HOR活性高达8.65 mA mg-1，只需要85.2 mV的过电位即可实现100 mA cm-2的HER电流密度，优于大多数非-贵金属催化剂材料。 实验和理论计算结果表明，NNM-HEA催化剂通过多金属高熵合金化优化了金属镍活性位点的电子结构，从而极大地促进了HER/HOR催化过程。 以NNM-HEA@CF为负极的Ni-H2电池表现出优异的倍率性能和循环性能。 例如，在面积容量为15 mAh cm-2时，Ni-H2电池可以在5 mA cm-2的电流密度下稳定循环。 超过1800小时。 该电池还展示了0.45Ah级别的容量，同样表现出了优异的电池性能。 根据对电极、隔膜和电解液等所有关键部件的测算，采用NNM-HEA@CF作为负极的镍氢电池的能量密度高达~109.3 Wh kg-1，且成本低至~107.8 $ kWh-1，与基于 Pt/C 的电池相当。使用 @CF 电极构造的 Ni-H2 电池的成本降低了 6 倍以上。 该研究为大规模储能应用中氢电池开发高效非贵金属HER/HOR双功能催化剂提供了一种方法。
【研究内容】
图1 NNM-HEA@CF催化电极的合成示意图。 (a) 泡沫铜。 (b) 生长有 Cu(OH)2 纳米线的泡沫铜。 (c) 催化剂前体：水热反应后生长的具有 Cu(OH)2 纳米线的泡沫铜。 (d) NNM-HEA@CF。
图 2 (a) NNM-HEA 的 XRD 细化图。 (b) SEM 图像（插图：b 的部分放大图像）。 (c) TEM 图像（插图：根据 (c) 绘制的 NNM-HEA 粒度分布图）。 (d) AC-STEM 图像（插图：SAED 图案）。 (e) NNM-HEA 的 HAADF-STEM 图像和相应的 STEM-EDS 图像。 (f) 线扫描结果。 比例尺：10 μm（插图：2 μm）(b)； 100 纳米（c）； 2 nm（插图：5 1/nm）（d）； 50 纳米（e）； 200 纳米（f）。
图 3 NNM-HEA 的 XPS 谱。 (a) 全谱。 Cu 2p (b)、Ni 2p (c)、Mo 3d (d)、W 4f (e) 和 Co 2p (f) 的 XPS 图案。
图4 NNM-HEA@CF、Pt/C@CF和泡沫镍电极的HER/HOR电催化性能。 (a) 在 H2 饱和的 0.1 M KOH 中以 1 mV s-1 的扫描速率测试的 HOR 极化曲线。 (b) 来自 (a) 的微极化区域的巴特勒-沃尔默图。 (c) NNM-HEA@CF和Pt/C@CF在0.07 V vs RHE下HOR反应的稳定性测试曲线。 (d) 在氩饱和的 1.0 M KOH 溶液中以 1 mV s-1 的扫描速率测试 HER 极化曲线。 (e) 基于 (d) 结果的塔菲尔斜率。 (f) NNM-HEA@CF 电极在 20 mA cm-2 下的稳定性测试。 （g和h）分别使用NNM-HEA@CF（g）和Pt/C@CF（h）作为催化电极的对称H2电池的恒电流循环曲线。 (i) 使用NNM-HEA@CF作为电极的对称H2电池的循环耐久性测试。
图5 NNM-HEA催化剂的理论计算结果。 (a) NNM-HEA 的结构模型。 (b) NNM-HEA 对于不同金属位点和 Ni (111) 的 PDOS 计算结果。 (c)*H中间体在NNM-HEA不同金属位点的吸附能计算结果。 (d) NNM-HEA 和 Ni (111) 催化剂上的碱性 HOR/HER 反应的步骤图。 (e) 计算*OH 在 NNM-HEA 和 Ni (111) 表面上的吸附能。 (f,g) 当 *H (f) 和 *OH (g) 吸附在 NNM-HEA 和 Ni(111) 上时 Ni 位点的 PDOS。 (h) *H-、*OH-、*H2O- 和 *OH + *H-NNM-HEA 结构的微分电荷密度图。
图6 基于NNM-HEA@CF催化电极的镍氢电池(Ni-H2(NNM-HEA@CF)电池)的电化学性能。 (a) 使用商用Ni(OH)2作为正极、NNM-HEA@CF作为负极的Ni-H2电池的示意图。 (b) Ni-H2 (NNM-HEA@CF) 电池和 Ni-H2 (Pt/C@CF) 电池在电流密度为 3 mA cm-2 时的充放电曲线。 Ni-H2 (NNM-HEA@CF) 电池在 3 mA cm-2 下的 (c) 倍率性能和 (d) 循环稳定性能。 （e）Ni-H2（NNM-HEA@CF）电池和Ni-H2（Pt/C@CF）电池在5 mA cm-2下的循环稳定性测试。 (f) Ni-H2 (NNM-HEA@CF) 电池的放大照片。 (g) Ni-H2 (NNM-HEA@CF) 电池在 0.15 C 下的放大充放电曲线和 (h) 循环稳定性。
[文章链接]
刘，†王英，†蒋桃丽，†宋金，萨吉德，张，徐，范，王，陈，刘，郑，张凯，年，朱，恰彭，艾哈迈德，李柯和陈伟*，非贵金属高合金基长寿命气体，ACS Nano 2024。
【通讯作者简介】
陈薇，中国科学技术大学应用化学系教授、博士生导师，合肥微尺度物理科学国家研究中心教授。 2008年获得北京科技大学材料物理学士学位； 2013年获阿卜杜拉国王科技大学材料科学与工程博士学位； 2014年至2018年在斯坦福大学从事博士后研究； 2018年至2019年在公司担任科学家； 2019年7月加入中国科学技术大学，专注于大规模储能电池和电催化研究。 独立组成立以来，作为（co）通讯作者，（2）、Joule（2）、（3）、（4）、（4）、&、（4）、、Nano（10） ）、ACS Nano（2）、ACS Nano（2）、（6）等国际期刊发表学术论文60余篇，总引用次数超过12000次，H因子53。研究成果获得5项美国专利，20多项中国发明专利。 曾担任Nano、Nano等多本杂志青年编委。
【课题组简介】
陈薇课题组网站：
～