在3 月21 日發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）的一篇文章中，研究人員介紹了一種不含任何貴金屬的燃料電池。若能順利實現商用，其有望加速高效、清潔的氫燃料電池在汽車和其它領域的廣泛採用。作為參考，當前氫燃料電池需要用到昂貴的金屬材料（比如鉑），以有效催化發電。

（圖自：PNAS）

長期以來，康奈爾大學化學生物學系的Héctor D. Abruña 教授，一直在實驗室裡尋找適用於鹼性燃料電池的高活性、低成本、且耐用的催化劑。

而發表於PNAS 上的這篇文章，就講述了其中一項新發現。研究人員表示：

氮摻雜的碳塗層鎳陽極，可用於催化氫燃料電池中的基本反應，而成本僅佔當前使用的貴金屬的一小部分。

這項新發現為氫燃料電池開闢了廣闊的市場前景，有望為新能源汽車和其它應用帶來高效、清潔、實惠的新選擇。

需要指出的是，儘管鹼性聚合物電解質膜燃料電池（簡稱APEMFC）能夠使用非貴金屬電催化劑，但替代材料的性能和耐久度往往不盡如人意。

教授表示，他們在用高效、清潔的氫燃料電池取代傳統化石燃料方面取得了新進展。

據悉，燃料電池有氫氧化反應（HOR）和氧還原反應（OOR）兩種發電方式。此前鉑金催化劑已被普遍用於此類模型，並且通過了PEM 燃料電池中酸性環境的耐用性考驗。

而近期對非貴金屬HOR 電催化劑開展的實驗，需要克服兩個方面的主要挑戰：

（1）若氫結合能過強，將導致本徵活性變低；

（2）隨著金屬氧化物的快速形成，燃料電池的耐久性會大打折扣。

有鑑於此，研究人員設計了一種鎳基電催化劑，其外殼由氮摻雜碳製成。

作為陽極催化用的它，由一個被碳殼包圍的實心鎳核組成，且直徑僅為2 納米。

當與鈷錳陰極配對時，所得到的完全不含貴金屬的氫燃料電池，每平方厘米的輸出功率可超過200 毫瓦。

Abruña 解釋稱，鎳電極表面上的氧化鎳物質的存在，會顯著拖慢氫的氧化反應。而氮摻雜碳保護塗層的存在，正好可以增強HOR，使得反應更快、更高效。

此外鎳電極上的石墨烯塗層，能夠防止氧化鎳的形成，從而極大地延長氫燃料電池的使用壽命，且這些電極對一氧化碳的耐受性也更強（鉑金材料很容易因為吸附一氧化碳而被迅速毒化）。

Abruña 教授總結道：“這種新型陽極的使用，可極大降低鹼性氫燃料電池的價格，從而推動其在更廣泛的領域中得到應用”。

另外，其同事在2 月發現，氮化鈷催化劑在催化OOR（氧還原反應）方面，幾乎與貴金屬鉑一樣有效。

感興趣的朋友，可移步至《PNAS》，以查看《A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode》全文。

【補充】《莊林/肖麗課題組燃料電池研究取得新進展》【武漢大學新聞網/ 化學與分子科學學院】

以燃料電池為代表的氫能電化學技術是實現碳中和的重要途徑。化學與分子科學學院莊林/肖麗課題組在鹼性聚電解質燃料電池（APEFC）領域的研究持續取得突破，關於氫氧化反應（HOR）高性能鎳陽極的研究進展近日發表在PNAS（《美國國家科學院院刊》）。

HOR 的催化劑一直以來都依賴貴金屬鉑。鹼性體系中金屬鎳具有一定的活性，但表面極易氧化鈍化。

莊林/肖麗團隊的碩士研究生高雲飛發現如果在鎳納米催化劑表麵包覆薄層氮雜碳，可顯著提高抗氧化性，且促進其HOR 催化活性，尤其當使用含CO 的氫氣時，這種新型鎳電極表現出高於鉑電極的活性和穩定性。

隨後，早年畢業於莊林課題組到美國康奈爾大學攻讀博士學位的楊堯採用高分辨電子顯微分析和同步輻射X 射線光譜對這種鎳表面的特性和催化機理進行了深入剖析。

高雲飛以該鎳陽極和錳鈷陰極實現了峰值功率密度超過200mW/c㎡ 的APEFC，這是目前使用全非貴金屬催化劑低溫燃料電池的最高性能報導。

近20 年來，莊林課題組一直致力於基於鹼性聚電解質的電化學能量/ 物質轉化研究（http://zhuang.whu.edu.cn），包括燃料電池、水電解和CO₂ 電解轉化。

目前同時承擔了科技部重點研發計劃項目、基金委重大項目和重大研究計劃集成項目。研究進展多次發表在高水平學術期刊，關鍵材料獲自主知識產權並實現商品化生產。

這是該課題組第二次在PNAS 發表APEFC 研究論文。