中科大陈维ACS Nano：非贵金属高熵合金催化电极用于长寿命氢气电池

中科大陈维ACS Nano：非贵金属高熵合金催化电极用于长寿命氢气电池

单位：中国科学技术大学

研究背景

镍氢电池因安全性高、环境友好、寿命长等特点被认为是大规模储能领域最有前景的储能系统解决方案之一。但传统镍氢电池在负极普遍采用铂族贵金属催化剂，限制了其在民用储能领域的应用。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，但目前镍基催化剂的HER/HOR催化活性远不如铂族催化剂，难以满足实际应用的需求。因此，设计制备高活性的非贵金属催化剂是实现高性能、低成本镍氢电池的关键。

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杂志上发表了题为《非贵金属高熵合金基长寿命气体催化》的文章。文章通过在泡沫铜上原位生长非贵金属高熵合金催化剂，构筑了非贵金属高熵合金催化电极（NNM-HEA@CF）作为镍氢（Ni-H2）电池的HER/HOR双功能氢催化负极。该电极在电位50mV时HOR活性高达8.65mA mg-1，仅需85.2mV的过电位就能实现100mA cm-2的HER电流密度，优于大多数非贵金属催化材料。 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的电子结构，从而大大促进了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，例如在表面容量为15mAh cm-2时，Ni-H2电池在电流密度为5 mA cm-2下可稳定循环1800h以上，电池在0.45Ah容量下也进行了演示，同样表现出优异的电池性能。 基于电极、隔膜和电解液所有关键组分，以NNM-HEA@CF为负极的Ni-H2电池能量密度高达~109.3 Wh kg-1，成本低至~107.8 $ kWh-1，比基于Pt/C@CF电极构建的Ni-H2电池成本低6倍以上。该研究为开发用于大规模储能应用的氢电池高效非贵金属HER/HOR双功能催化剂提供了一种方法。

研究

图1 NNM-HEA@CF催化电极合成示意图。（a）泡沫铜。（b）生长有Cu(OH)2纳米线的泡沫铜。（c）催化剂前驱体：水热反应后生长有Cu(OH)2纳米线的泡沫铜。（d）NNM-HEA@CF。

图 2 (a) NNM-HEA 的 XRD 细化图案。(b) SEM 图像（插图：(b) 的局部放大图）。(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：10μm（插图：2μm）（b）；100 nm（c）；2 nm（插图：5 1/nm）（d）；50 nm（e）；200 nm（f）。

图 3 NNM-HEA 的 XPS 光谱。（a）全光谱。Cu 2p（b）、Ni 2p（c）、Mo 3d（d）、W 4f（e）和 Co 2p（f）的 XPS 光谱。

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)从(a)中获得的微极化区域的-曲线。 (c) NNM-HEA@CF和Pt/C@CF在0.07时的HOR反应稳定性测试曲线。 (d)在氩气饱和的1.0 M KOH溶液中，以1 mV s-1的扫描速率测试的HER极化曲线。 (e)根据(d)结果获得的Tafel斜率。 (f) NNM-HEA@CF电极在20 mA cm-2下的稳定性测试。 (g和h)分别以NNM-HEA@CF(g)和Pt/C@CF(h)为催化电极的对称H2电池的恒电流循环曲线。(i)以NNM-HEA@CF为电极的对称H2电池循环耐久性测试。

图5 NNM-HEA催化剂理论计算结果。（a）NNM-HEA结构模型。（b）NNM-HEA不同金属位点和Ni（111）表面的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）催化剂上碱性HOR/HER反应步骤图。（e）*OH在NNM-HEA和Ni（111）表面的吸附能计算结果。（f，g）*H（f）和*OH（g）吸附在NNM-HEA和Ni（111）表面时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）以商用Ni(OH)2为正极、NNM-HEA@CF为负极的镍氢电池示意图。（b）3 mA cm-2电流密度下镍氢电池（NNM-HEA@CF）和镍氢电池（Pt/C@CF）的充放电曲线。（c）3 mA cm-2电流密度下镍氢电池（NNM-HEA@CF）的倍率性能和（d）循环稳定性性能。（e）5 mA cm-2下镍氢电池（NNM-HEA@CF）和镍氢电池（Pt/C@CF）的循环稳定性测试。（f）镍氢电池（NNM-HEA@CF）的放大照片。 （g）扩大的Ni-H2（NNM-HEA@CF）电池在0.15 C时的充电放电曲线和（h）循环稳定性。

文章链接

Liu,† Ying Wang,† Taili Jiang,† Song Jin, Sajid, , Xu, Fan, Wang, Chen, Liu, Cheng, Kai Zhang, Nian, Zhu, Qia Peng, Ahmad, Ke Li, and Wei Chen*，非贵金属高合金基长寿命气体，ACS。

关于通讯作者

陈伟，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年获北京科技大学材料物理学士学位，2013年获沙特阿拉伯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年在美国斯坦福大学从事博士后研究。2018年至2019年在一家公司担任科学家。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方面的研究。 自独立课题组成立以来，已在Joule（2）、Nano（10）、ACS Nano（2）、ACS（2）、等国际期刊以（共同）通讯作者发表学术论文60余篇，总引用12000余次，H指数53。其研究成果获得5项美国专利和20余项中国发明专利。担任Nano等多个期刊的青年编委。

课题组介绍

陈薇课题组网站:~