【儀表網 研發快訊】氫氣燃料電池作為一種清潔高效的能源轉換技術，其耐久性和成本是規模化應用的主要瓶頸。其中，啟停(SU/SD)過程中的反向電流衰減(RCD)現象導致的陰極腐蝕是影響耐久性的關鍵問題。在啟停過程中，陽極會形成氫氣和空氣共存區域，引發寄生氧還原反應(ORR)，產生超過1.5 V的界面電位差，導致陰極碳載體和催化劑嚴重氧化降解(圖1)。傳統解決方案依賴復雜系統(如惰性氣體吹掃)或昂貴的抗腐蝕材料，增加了成本和系統復雜性。
近日，中國科學技術大學高敏銳教授與唐凱斌教授團隊合作，報道了一種銅摻雜改性的鉬鎳基合金催化劑(MoNi3.6Cu0.4)，成功解決了陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)啟停過程中的陰極腐蝕難題。該催化劑在堿性介質中表現出優異的氫氧化反應(HOR)催化活性和對氧還原反應(ORR)的惰性。這種獨特的雙功能特性使其能夠有效抑制啟停階段由寄生ORR引發的瞬時界面電位驟升，從而保護陰極。相關成果以“Copper-Tailored Molybdenum-Nickel Catalyst Boosts Hydrogen Oxidation and Suppresses Parasitic Oxygen Reduction for Durable Fuel Cells”為題6月25日發表在國際學術期刊《德國應用化學》上(Angew. Chem. Int. Ed.2025,e202508535)。
圖1: AEMFC啟停中RCD過程的示意圖
研究團隊通過微波加熱和后續熱處理成功制備了MoNi3.6Cu0.4催化劑，并將其用作AEMFC陽極催化劑的膜電極組件進行模擬啟停循環測試。結果顯示，相比傳統的Pt/C陽極，使用該催化劑的電池在啟停過程中陰極電位躍遷從1.4 V大幅降低至安全范圍(圖2)。經過10次啟停循環后，陰極催化劑層厚度幾乎保持不變，陰極電荷轉移阻抗的增幅也遠低于Pt/C，峰值功率密度保持率達61%，顯著優于Pt/C(28%)和未摻雜鉬鎳合金(47%)，陰極腐蝕現象近乎消失。
圖2:啟停過程單電池耐久性
該工作開發了一種高效的非貴金屬陽極催化劑，通過對HOR和ORR反應的“選擇性催化”，為解決燃料電池啟停過程中的關鍵RCD問題提供了一種簡便有效的方案，無需復雜的系統改造即可顯著提升電池耐久性。
論文的通訊作者是合肥微尺度物質科學國家研究中心的高敏銳和唐凱斌教授。中國科大葛曉琳和徐銅文教授為該工作提供了MTCP-50陰離子交換膜。論文共同第一作者為中國科大博士研究生朱磊、特任副研究員張曉隆、博士研究生楊宇、李燁成和王業華。相關研究受到國家自然科學基金委杰出青年科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。
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