中国科大研制出完全非贵金属驱动的碱性膜燃料电池
时间:2022-12-28 09:36来源:中国科学技术大学 作者:综合报道
点击:
次
近日，中国科学技术大学高敏锐教授课题组设计并研制了一种完全由非贵金属驱动的碱性膜燃料电池（AEMFC）。该电池以Ni3N作为阳极、ZrN作为阴极（图1），在氢气-氧气和氢气-空气条件下分别展现了256 mW cm-2 和151 mW cm-2的功率密度。相关成果以“Plasma-Assisted Synthesis of Metal Nitrides for an Efficient Platinum-Group-Metal-Free Anion-Exchange-Membrane Fuel Cell”为题发表在在国际知名期刊Nano Letters上。
图1. 等离子体增强化学气相沉积制备的Ni3N和ZrN用于AEMFCs。
利用非贵金属来驱动燃料电池将大幅度降低电池成本，摆脱对稀有贵金属资源的依耐。由于非贵金属位点活性低，结构易变性强，导致利用非贵金属驱动AEMFCs面临巨大挑战。近年来，高敏锐课题组致力于非贵金属设计高性能的AEMFC电极催化剂，已取得阶段性进展（Nat. Catal.2022, 5, 993;Angew. Chem. Int. Ed.,2022, 61, e202208040;Nat. Commun.2021, 12:2686）。然而，如何基于非贵金属材料的结构设计和调控，实现其在严苛的电池运行环境下稳定的功率输出仍然是完全非贵金属燃料电池亟需解决的难题。
过渡金属氮化物具有导电性优异、电化学稳定性好以及耐腐蚀性强等特性，有望设计高活性、高稳定性AEMFC电催化剂。传统方法制备过渡金属氮化物是使用腐蚀性强的氨气作为氮源，一般会带来环境污染；而且，由于需要使用较高的合成温度，会导致材料烧结，减少催化活性位点。该研究组借助等离子体增强化学气相沉积来将氮气离子化，有效使得惰性的氮气参与反应，制备了高质量的Ni3N和ZrN催化剂。这种方法具有很好的拓展性，可在各自的金属箔上制备晶片级的Ni3N和ZrN层，展现出很好的应用前景 (图2)。
图2. 等离子体增强化学气相沉积法制备高质量的Ni3N和ZrN。
研究人员利用旋转圆盘电极系统评估了Ni3N和ZrN在碱性电解质下氢气氧化（HOR）和氧气还原（ORR）性能。结果表明，Ni3N和ZrN分别展现了优异的HOR活性和ORR活性，接近贵金属Pt/C催化剂，并且非常稳定�；诖朔⑾�，研究人员将Ni3N和ZrN分别用作阳极和阴极催化剂组装到AEMFC中，在氢气-氧气和氢气-空气下分别获得256 mW cm-2 和151 mW cm-2的功率密度，并能够稳定的工作25个小时性能不衰减 （图3）。这是目前完全非贵金属催化剂驱动的AEMFCs所报道的最佳值之一。
图3. Ni3N和ZrN的电池性能。
借助理论计算，研究人员发现氮元素插入到金属晶格的间隙位点中，会优化金属位点的电子结构，使得金属位点的d带中心进一步远离费米能级，从而减弱了Ni3N中的Ni活性位点对H中间体的吸附能，并且使得Ni3N展现出了对OH中间体优异的吸附能力，从而赋予Ni3N优异的碱性HOR活性。此外，N的存在也削弱了ZrN中的Zr活性位点对O中间体的吸附能，使得其接近最优的O吸附能，从而带来优异的碱性ORR活性。
论文的共同第一作者为中国科大博士后张晓隆、博士生胡少进和王业华。中国科大高敏锐教授为通讯作者。相关研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。
(责任编辑：子蕊)
文章标签：
燃料电池
免责声明：本文仅代表作者个人观点，与中国电池联盟无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本网证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。
凡本网注明 “来源：XXX（非中国电池联盟）”的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的，请在一周内进行，以便我们及时处理。
QQ：503204601
邮箱：cbcu@cbcu.com.cn
凡本网注明 “来源：XXX（非中国电池联盟）”的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的，请在一周内进行，以便我们及时处理。
QQ：503204601
邮箱：cbcu@cbcu.com.cn
猜你喜欢
-
中国工程院院士吴锋：未来新能源汽车三个大方向不会改变
2022-12-18 13:42 -
中国联合研究小组发现锂硫电池热失控的原因
2022-12-12 08:27 -
中国科大在氢燃料电池无损检测理论及方法研究中取得新进展
2022-11-22 09:26 -
中国研究人员制备具有氮化锂梯度的3D碳基锂负极 可提高锂金属电池的稳定性
2022-10-20 09:08 -
中国科大研制出高抗CO毒化的燃料电池阳极
2022-10-14 09:59 -
广州超算神助攻！港科大研发全球最耐久氢燃料电池
2022-08-26 10:10 -
中国研究人员开发新型氧化还原介质 改善锂硫电池缓慢的反应动力学
2022-06-26 14:58 -
《AFM》中科大：用于高性能固态锂电池的改性溶剂化Janus电解质
2022-06-10 11:42 -
新型双梯度石墨负极材料实现锂电池快充
2022-05-05 11:02 -
中科大：抗氧自消除钝化层稳定性锂金属电池
2022-03-04 12:35
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
专题
相关新闻
-
中国工程院院士吴锋：未来新能源汽车三个大方向不会改变
2022-12-18 13:42 -
中国联合研究小组发现锂硫电池热失控的原因
2022-12-12 08:27 -
中国科大在氢燃料电池无损检测理论及方法研究中取得新进展
2022-11-22 09:26 -
中国研究人员制备具有氮化锂梯度的3D碳基锂负极 可提高锂金属电池的稳定性
2022-10-20 09:08 -
中国科大研制出高抗CO毒化的燃料电池阳极
2022-10-14 09:59 -
广州超算神助攻！港科大研发全球最耐久氢燃料电池
2022-08-26 10:10 -
中国研究人员开发新型氧化还原介质 改善锂硫电池缓慢的反应动力学
2022-06-26 14:58 -
《AFM》中科大：用于高性能固态锂电池的改性溶剂化Janus电解质
2022-06-10 11:42
本月热点
-
又一锂电新贵启动IPO
2022-12-04 10:27 -
11月我国动力电池装车量34.3GWh，同比增64.5%
2022-12-12 08:40 -
动力电池回收行业专题报告：动力电池退役潮起，回收赛道风口将至
2022-12-05 10:48 -
专利战宁王一审胜诉中航，二线电池厂「唇亡齿寒」？
2022-12-01 10:01 -
锂价涨10倍下的回收乱象
2022-12-11 15:54 -
特斯拉上海工厂被曝已停产，原因未知
2022-12-25 18:42 -
日赚4.5亿！中石油宣布造电池！
2022-11-30 08:57 -
狂奔的动力电池急需一脚「刹车」
2022-12-08 08:45
企业微信号
微信公众号