氢氧燃料电池技术的发展有利于缓解化石燃料短缺和环境污染等问题.近年来,碱性阴离子交换膜燃料电池因可以使用非贵金属催化剂而得到广泛关注,但其阳极氢氧化反应(HOR)的动力学相对于酸性条件下有2–3个数量级的降低.因此,亟需开发低成本高活性的碱性氢氧化电催化剂.镍(Ni)基材料是非常具有应用前景的非贵金属碱性氢氧化反应催化剂.然而,纯金属Ni对氢物种的吸附过强,导致其对氢氧化反应的催化活性不高.因此,研究学者们采取了多种改性策略以提高Ni基催化剂的催化活性.目前报道的比较有效的策略是构造Ni基氮化物,调节Ni的电子结构,减弱Ni位点对H物种的吸附,进一步增强其对碱性HOR的催化性能.另一种行之有效的策略是构筑Ni基异质结构,通过组成异质结构的两相之间的电子转移优化催化剂对反应中间体氢和氢氧物种的吸附,从而提升对碱性HOR的催化性能.综上所述,通过催化剂结构设计提升其催化活性是一个值得研究的课题.本文通过构建氮化物结构和异质结构以调节催化位点对碱性氢氧化反应中间体H和OH物种的吸附能力,从而增强Ni基催化剂的活性.采用多步溶剂热和氨气退火方法合成了Ni3N/MoO2平面异质结,电化学测试结果表明,Ni3N/MoO2平面异质结表现出了较高的催化活性,其质量活性达到了16.4 mA mg–1,分别是纯氮化镍的4.4倍和纯镍的8.6倍;同时,Ni3N/MoO2平面异质结还表现出了较好的循环稳定性,在2000次CV循环后,性能基本无变化;另外,Ni3N/MoO2平面异质结还具有较好的CO耐受性,即使在1000 ppm的CO存在时,其活性衰减也较小.进一步通过CO剥离和氢气氮气条件下的循环伏安法研究其对OH和H物种的吸附能力,分析了Ni3N/MoO2平面异质结对碱性HOR性能的增强机制.CO剥离实验结果显示,Ni3N/MoO2平面异质结表现出较Ni3N低的CO剥离峰,表明由于MoO2的引入,Ni3N/平面异质结对OH物种的吸附能力增强.循环伏安结果显示,相比于N2饱和的0.1 mol L–1 KOH电解液中催化材料的氧化峰位置,Ni3N/MoO2平面异质结在H2饱和的0.1 mol L–1 KOH电解液中的氧化峰较Ni3N正移更明显,表明Ni3N/MoO2平面异质结对H物种的吸附减弱,这归因于MoO2与Ni3N之间的电子转移对Ni电子结构的优化.因此,由于Ni3N/MoO2平面异质结构对H物种的吸附减弱和OH物种的吸附增强,从而加速了碱性氢氧化反应进程.综上,本文为设计高性能碱性氢氧化电催化剂提供了一种简便的方法.

氮化镍;平面异质结构;吸附;氢氧化反应;碱性溶液

安露露;邓邵峰;郭煦昀;刘旭坡;赵桐辉;陈科;朱叶;付玉喜;赵旭;王得丽

华中科技大学化学化工学院,能源转换与存储材料化学教育部重点实验室,材料化学与服役失效湖北省重点实验室, 湖北武汉430074;香港理工大学智能能源研究所应用物理系,香港

催化学报

[1]安露露;邓邵峰;郭煦昀;刘旭坡;赵桐辉;陈科;朱叶;付玉喜;赵旭;王得丽-.Ni3N/MoO2平面异质结构实现增强的碱性氢氧化)[J].催化学报,2022(12):3154-3160

平面异质结构,碱性阴离子交换膜燃料电池,氮化镍

Ni3N,MoO2,氢氧燃料电池,电池技术,化石燃料,非贵金属催化剂,阳极,氢氧化反应,HOR,酸性条件,数量级,高活性,电催化剂,基材,纯金属,催化活性,改性策略,氮化物,电子结构,催化性能,电子转移,中间体,氧物种,综上所述,吸附能力,多步,溶剂热,氨气,退火,电化学测试,mA,纯镍,循环稳定性,CV,本无,耐受性,ppm,氢气,氮气,循环伏安法,结对,增强机制,N2,KOH,电解液,催化材料,结在,H2,归因于,碱性溶液

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