論文團隊：中國科學院長春應用化學研究所徐維林課題組

論文DIO：10.1002/aenm.202404266

論文期刊：《Advanced Energy Materials》

論文分區：JCR一區

影響因子：IF:24.4

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在“碳達峰、碳中和"時代背景下，發展清潔、高效的氫能源成為我國能源發展戰略方向。堿性交換膜燃料電池（AEMFC）具有低成本、非鉑催化材料的技術優勢，有望替代傳統鉑（Pt）催化材料的質子交換膜燃料電池（PEMFC）。目前，非鉑催化材料的性能及壽命問題是影響堿性交換膜燃料電池規模應用的重要挑戰。

近日，中國科學院長春應用化學研究所徐維林課題組在國際期刊《Advanced Energy Materials》發表題為《Ru-MnO Heterostructure Clusters Toward Efficient and CO-Tolerant Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction》論文，研究探討一種新型的Ru-MnO異質結構（稱為Ru-MnO/C）催化材料在堿性交換膜燃料電池中的反應表現，引發業界關注。

在Ru-MnO/C異質結構中，團簇-團簇異質結構界面通過從Ru到MnO的電子轉移來改變Ru位點的電子結構，從而優化中間體在Ru位點上的吸附。實驗數據表明，該催化劑在堿性介質中表現出較高的HOR催化活性，具有高交換電流密度（3.71 mA cm^?2）和質量活性（0.78 A mg _Ru^?1）。同時，在H₂/O₂條件下，堿性交換膜燃料電池的特定峰值功率密度（PPD）為7.0 W mg^?1_Ru，高于大多數研究報道的催化劑材料。更重要的是，該催化劑表現出較高的穩定性和CO耐受性。這項論文研究工作展示了簇-簇異質結構界面與 HOR 性能之間的相關性，為今后開發新型非鉑催化劑材料提供了新的思路，具有重要指導意義。

· 背景介紹 ·

燃料電池是氫能商業應用的重要載體，能夠將氫氣與氧氣的化學能直接轉化成電能。在目前的燃料電池技術路線中，與質子交換膜燃料電池相比，堿性交換膜燃料電池具有低成本優勢，可以使用非鉑催化劑材料進行氧還原反應（ORR），堿性交換膜燃料電池這一優勢被寄予厚望，認為有望替代成本昂貴的質子交換膜燃料電池技術。

然而，HOR在堿性介質中的反應動力學比在酸性環境中的反應動力學低兩個數量級左右，貴重鉑基催化劑性能表現并不理想。在電化學反應中，一氧化碳和鉑族金屬（PGM）之間吸附性很強，陽極催化劑會被粗氫中的低濃度一氧化碳毒害，而粗氫又是重要的氫氣來源，工業生產天然氣合成甲醇工序就可以產生富余氫氣。因此，研究探索具有高CO耐受性的高性能氫氧化反應的非鉑催化劑，助力堿性交換膜燃料電池商用化發展，對于我國氫能產業發展、有著非常重要的戰略價值。

· 圖文解析 ·

文章中采用了浸漬法和熱解法合成了Ru-MnO/C異質結構催化劑，并使用XRD、EDS、XPS、STEM、EELS、XAFS等相關表征技術對其進行了詳細的表征。隨后利用電化學測試評估了催化劑的HOR活性、穩定性和CO耐受性等。電化學測試結果下圖所示：

發現Ru-MnO/C的HOR極化曲線表現出急劇的電流響應，非常接近能斯特極限。并且，在0到0.1 V的范圍內，Ru-MnO/C的陽極電流密度高于其他催化劑，這表明與Ru/C、PtC_com和RuC_com催化劑相比，所開發的催化劑具有更you越的氫氧化反應活性。為了定量評估它們的反應速率和活性，測試了不同催化劑在不同旋轉速度下的極化曲線（見圖3b）。隨著旋轉速度的增加，由于質量傳輸的改善，電流密度也相應增加。

為了驗證所制備催化劑在陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）中的應用，進一步采用了Ru-MnO/C作為陽極催化劑（負載量為0.1 mg_Ru cm^-2）和PtC_com作為陰極催化劑（負載量為0.4 mg_Pt cm^-2）來測試AEMFCs的性能，表現出顯著的穩定性和CO耐受性。

· 總結展望 ·

近年來，學術界和工業界對堿性交換膜燃料電池（AEMFC）技術投入了ji高的關注，希望擺脫了傳統的銥/鉑貴金屬催化材料依賴，破除氫能發展阻礙，實現低成本、高性能、規模化商業應用。中國科學院長春應用化學研究所徐維林課題組這項基于新型Ru-MnO異質結構催化材料的論文研究，為我們拓展了新的思路。

目前，堿性交換膜燃料電池研究正處于高速發展的階段，國內外已有很多科研人員致力于新型非鉑催化劑領域，在電催化材料方面各種探索突破，我們有理由相信，堿性交換膜燃料電池研究會迎來重大突破！

· 儀器簡介 ·

該項論文研究工作使用理化（香港）有限公司提供的DSR數字型旋轉圓盤圓環電極裝置進行實驗測試。

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