近日，合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院鄭亞榮研究員與魏海兵教授研究團(tuán)隊聯(lián)合香港城市大學(xué)王振斌教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授研究團(tuán)隊，在陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)陽極催化劑研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)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(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)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(rèn)為是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。近年來，AEMFC因其更低成本和可持續(xù)性受到廣泛關(guān)注，但其陽極氫氧化反應(yīng)(HOR)在堿性條件下動力學(xué)遲緩，即使在鉑族金屬催化劑上也難以實(shí)現(xiàn)高效催化，嚴(yán)重制約了AEMFC的大規(guī)模應(yīng)用。
 

　　針對這一難題，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地設(shè)計并合成了一種開口結(jié)構(gòu)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(dá)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(dá)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(jié)構(gòu)演變表征、結(jié)構(gòu)解析及堿性HOR電催化性能
 

　　在AEMFC陽極應(yīng)用中，結(jié)合我校自主開發(fā)的陰離子交換膜，該催化劑在90℃下實(shí)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(shí)際應(yīng)用潛力。結(jié)構(gòu)表征與理論計算表明，氫氣熱處理誘導(dǎo)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(qū)動活性提升機(jī)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(jìn)氫能關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展及實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義。
 

　　本論文的第一作者為我校化學(xué)與化工學(xué)院博士生孫賢迪、汪濤以及香港城市大學(xué)博士生吳佳舜；通訊作者為我校化學(xué)與化工學(xué)院鄭亞榮研究員、魏海兵教授，香港城市大學(xué)王振斌教授以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授。
 

　　以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金、安徽省留學(xué)人員創(chuàng)新項目等經(jīng)費(fèi)的資助以及合肥工業(yè)大學(xué)分析測試中心電鏡平臺的支持。