【儀表網 研發快訊】近日，合肥工業大學化學與化工學院鄭亞榮研究員與魏海兵教授研究團隊聯合香港城市大學王振斌教授、中國科學技術大學高敏銳教授研究團隊，在陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)陽極催化劑研究領域取得重要進展。相關研究成果以“Multigrain Ruthenium Nanocrystals with Enriched (10-11) Facets for Enhanced Hydrogen Oxidation in Anion Exchange Membrane Fuel Cells”為題，發表在學術期刊《先進材料》上。
氫氧燃料電池因其高能效和零碳排放的環保特性，被認為是實現碳中和的重要能源轉換技術。近年來，AEMFC因其更低成本和可持續性受到廣泛關注，但其陽極氫氧化反應(HOR)在堿性條件下動力學遲緩，即使在鉑族金屬催化劑上也難以實現高效催化，嚴重制約了AEMFC的大規模應用。
針對這一難題，研究團隊創新性地設計并合成了一種開口結構的六方相釕納米籠(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，形成了豐富的亞穩態(10-11)晶面。此催化劑表現出優異的堿性HOR催化性能，在50mV時的電流密度高達61mA cm-2，為商用Ru/C和Pt/C催化劑的25.6倍和7.8倍，并展現出高達0.3V(相對可逆氫電極)的寬工作電位窗口及優異的CO抗中毒能力。
圖1. 原位Ru NGs結構演變表征、結構解析及堿性HOR電催化性能
在AEMFC陽極應用中，結合我校自主開發的陰離子交換膜，該催化劑在90℃下實現了H2/O2條件1.31W cm-2、H2/空氣條件1.06W cm-2的峰值功率密度，顯示出良好的實際應用潛力。結構表征與理論計算表明，氫氣熱處理誘導形成的(10-11)晶面顯著提高了釕表面的氧化能壘，從而改善了HOR穩定工作電壓區間。
圖2. 高性能AEMFC及理論計算揭示的(10-11)晶面驅動活性提升機制
這一研究為開發高效、低成本、無鉑的AEMFC陽極催化劑提供了新的思路，對促進氫能關鍵技術的發展及實現碳中和目標具有重要意義。
本論文的第一作者為我校化學與化工學院博士生孫賢迪、汪濤以及香港城市大學博士生吳佳舜；通訊作者為我校化學與化工學院鄭亞榮研究員、魏海兵教授，香港城市大學王振斌教授以及中國科學技術大學高敏銳教授。
以上研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金、安徽省留學人員創新項目等經費的資助以及合肥工業大學分析測試中心電鏡平臺的支持。
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