中国科大研制出一种高性能燃料电池阳极催化剂 .
中国科学技术大学高敏锐教授课题组研制出一种高抗氨毒化的镍基 碱性膜燃料电池 阳极催化剂，其多项数值远超商业 铂碳催化剂 。
相关成果近日发表在国际著名学术期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上。
氨毒化机制和电子态调控
氢氧燃料电池由于能量转换率高和零排放等优点，有望在国家“双碳”战略中扮演重要的角色。然而，商业铂碳催化剂极易被氢气燃料中的氨气毒化而导致性能降低。特别地，在碱性膜燃料电池中，铂基催化剂的氢气氧化反应动力学缓慢，其与氨毒化协同作用，加速电池性能的衰退。因此，设计高活性、高抗氨毒化的新型阳极催化剂是碱性膜燃料电池实用化亟需解决的难题。
近年来，高敏锐研究小组致力于碱性膜燃料电池非贵金属电催化剂的研制和应用研究。在本项工作中，研究人员研制出一种高抗氨毒化的镍基碱性膜燃料电池阳极催化剂，其在阳极含10 ppm氨的膜电极组装中，能保持95%的初始峰值功率密度和88%的初始电流密度，远超商业铂碳催化剂。
审稿人高度评价该工作，认为“这是一项重要的工作，对于研制抗氢气中不纯杂质分子毒化的电催化剂提供了重要的借鉴”，“该工作将进一步推进碱性膜燃料电池技术的实用化”。
锂硫电池的理论比能量可达2600 Wh kg−1，是商用锂离子电池的3-5倍，作为新一代储能器件引起广泛关注。然而聚硫化物穿梭效应使得该类电池循环能力和容量迅速衰减，成为了锂硫电池商业化应用的一大障碍。由香港理工大大学Shu Ping Lau教授牵头的联合研究团队设计制备了新型的黑磷量子点（BPQDs）催化剂应用于锂硫电池，有效抑制了多硫化物的“穿梭效应”，大幅改善锂硫电池倍率性能和循环寿命。研究人员将黑磷（BP）块体置于甲基吡咯烷酮溶液中，经过超声、离心，制备了不同尺寸的BP纳米片（BP-400、BP-800）和BPQDs。透射电镜表征显示，BP-400、BP-800和BPQDs纳米片平均尺寸分别为400nm、800nm和4.5 nm。将制备的三种尺寸的BP纳米片置于含有多硫聚物Li2S8（锂硫电池放电中间产物，量越多电池性能衰退越快）的四乙二醇二甲醚溶液当中进行恒电流的Li2S沉积实验，结果显示BPQDs表面沉积最多的硫化锂（Li2S），意味其能够更加有效地吸附多硫聚物并将其有效催化转化为Li2S，即BPQDs是良好的锂硫电池催化剂材料。通过密度泛函理论（DFT）计算可知，BPQDs纳米片与Li2S8具有很强的表面相互作用，尤其是BPQDs纳米片边缘活性位点与Li2S8相互作用最强，即通过缩减BP纳米片，可以大大提高BP对多硫聚物的吸附性从而达到抑制“穿梭效应”的目的。X射线光电子谱（XPS）表明BPQDs对多硫聚物强吸附作用主要是通过P-S和P-Li键与多硫聚物发生强烈相互作用实现的。BP量子点催化活性位点对多硫聚物的强吸附和快速催化转化促进了Li2S的沉积，这使得多硫聚物在正极中的使用率更高，从而有助于电池性能提升。随后研究人员将BPQDs结合到硫纳米（S）颗粒负载的多孔碳纤维（PCNFs）形成的PCNF/S/BPQDs复合材料，作为正极应用到锂硫电池并进行电化学性能测试。测试结果表明（1.7-2.8 V电压区间、0.1C[1C=1675 mA g-1 ]倍率下），含有BPQDs的复合正极电池初始的放电比容量高达1385 mAh g-1，远远高于无BPQDs的PCNF/S电极电池（907 mAh g-1）。长期循环稳定性测试显示，经过200次充放电循环后，PCNF/S/BPQDs正极电池放电比容量依旧高达1072 mAh g-1，平均单次循环衰减率仅为0.06%；相反，PCNF/S正极电池放电比容量大幅衰减到了623 mAh g-1，平均单次循环衰减率达到了2%；表面了引入BPQDs确实能够有效地抑制多硫聚物的“穿梭效应”。而将放电电流提升到4C时，PCNF/S/BPQDs正极电池依旧可以获得高达784 mAh g-1放电比容量，1000次循环中每次循环容量衰减仅为0.027%，展现出优异的高倍率性能。该项研究合成制备了新型的BPQDs催化剂应用于锂硫电池正极，有效抑制多硫聚物的“穿梭效应”，增强了电池的倍率性能和循环稳定性，为限硫增效提供了一种新的方向策略。相关研究工作发表在《Nature Communications》。
