论文团队：中国科学院长春应用化学研究所徐维林课题组
论文DIO：10.1002/aenm.202404266
论文期刊：《Advanced Energy Materials》
论文分区：JCR一区
影响因子：IF:24.4
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在“碳达峰、碳中和”时代背景下，发展清洁、高效的氢能源成为我国能源发展战略方向。碱性交换膜燃料电池（AEMFC）具有低成本、非铂催化材料的技术优势，有望替代传统铂（Pt）催化材料的质子交换膜燃料电池（PEMFC）。目前，非铂催化材料的性能及寿命问题是影响碱性交换膜燃料电池规模应用的重要挑战。
近日，中国科学院长春应用化学研究所徐维林课题组在国际期刊《Advanced Energy Materials》发表题为《Ru-MnO Heterostructure Clusters Toward Efficient and CO-Tolerant Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction》论文，研究探讨一种新型的Ru-MnO异质结构（称为Ru-MnO/C）催化材料在碱性交换膜燃料电池中的反应表现，引发业界关注。
在Ru-MnO/C异质结构中，团簇-团簇异质结构界面通过从Ru到MnO的电子转移来改变Ru位点的电子结构，从而优化中间体在Ru位点上的吸附。实验数据表明，该催化剂在碱性介质中表现出较高的HOR催化活性，具有高交换电流密度（3.71 mA cm−2）和质量活性（0.78 A mg Ru−1）。同时，在H2/O2条件下，碱性交换膜燃料电池的特定峰值功率密度（PPD）为7.0 W mg−1Ru，高于大多数研究报道的催化剂材料。更重要的是，该催化剂表现出较高的稳定性和CO耐受性。这项论文研究工作展示了簇-簇异质结构界面与 HOR 性能之间的相关性，为今后开发新型非铂催化剂材料提供了新的思路，具有重要指导意义。
· 背景介绍 ·
燃料电池是氢能商业应用的重要载体，能够将氢气与氧气的化学能直接转化成电能。在目前的燃料电池技术路线中，与质子交换膜燃料电池相比，碱性交换膜燃料电池具有低成本优势，可以使用非铂催化剂材料进行氧还原反应（ORR），碱性交换膜燃料电池这一优势被寄予厚望，认为有望替代成本昂贵的质子交换膜燃料电池技术。
然而，HOR在碱性介质中的反应动力学比在酸性环境中的反应动力学低两个数量级左右，贵重铂基催化剂性能表现并不理想。在电化学反应中，一氧化碳和铂族金属（PGM）之间吸附性很强，阳极催化剂会被粗氢中的低浓度一氧化碳毒害，而粗氢又是重要的氢气来源，工业生产天然气合成甲醇工序就可以产生富余氢气。因此，研究探索具有高CO耐受性的高性能氢氧化反应的非铂催化剂，助力碱性交换膜燃料电池商用化发展，对于我国氢能产业发展、有着非常重要的战略价值。
· 图文解析 ·
文章中采用了浸渍法和热解法合成了Ru-MnO/C异质结构催化剂，并使用XRD、EDS、XPS、STEM、EELS、XAFS等相关表征技术对其进行了详细的表征。随后利用电化学测试评估了催化剂的HOR活性、稳定性和CO耐受性等。电化学测试结果下图所示：
发现Ru-MnO/C的HOR极化曲线表现出急剧的电流响应，非常接近能斯特极限。并且，在0到0.1 V的范围内，Ru-MnO/C的阳极电流密度高于其他催化剂，这表明与Ru/C、PtCcom和RuCcom催化剂相比，所开发的催化剂具有更优越的氢氧化反应活性。为了定量评估它们的反应速率和活性，测试了不同催化剂在不同旋转速度下的极化曲线（见图3b）。随着旋转速度的增加，由于质量传输的改善，电流密度也相应增加。
为了验证所制备催化剂在阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）中的应用，进一步采用了Ru-MnO/C作为阳极催化剂（负载量为0.1 mgRu cm-2）和PtCcom作为阴极催化剂（负载量为0.4 mgPt cm-2）来测试AEMFCs的性能，表现出显著的稳定性和CO耐受性。
· 总结展望 ·
近年来，学术界和工业界对碱性交换膜燃料电池（AEMFC）技术投入了极高的关注，希望摆脱了传统的铱/铂贵金属催化材料依赖，破除氢能发展阻碍，实现低成本、高性能、规模化商业应用。中国科学院长春应用化学研究所徐维林课题组这项基于新型Ru-MnO异质结构催化材料的论文研究，为我们拓展了新的思路。
目前，碱性交换膜燃料电池研究正处于高速发展的阶段，国内外已有很多科研人员致力于新型非铂催化剂领域，在电催化材料方面各种探索突破，我们有理由相信，碱性交换膜燃料电池研究会迎来重大突破！
· 仪器简介 ·
该项论文研究工作使用理化（香港）有限公司提供的DSR数字型旋转圆盘圆环电极装置进行实验测试。
DSR数字型旋转圆盘圆环电极装置具有“数字型、一体化、更静音”的技术特点，是新一代RRDE仪器，可与主流电化学工作站搭配使用，配件耗材全面兼容，已在国内多所高校实验室交付使用，助力老师同学们做出更漂亮的谱图效果，客户体验。
