研究内容

阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）是一种在零排放情景下具有成本效益的氢电转换技术。然而，阳极氢氧化反应（HOR）的缓慢动力学阻碍了AEMFC的商业实施。

中国地质大学（北京）安琪/赵璐/中国科学院化学研究所胡劲松开发了一种具有非常规Pd1Ni2三聚体位点的Pd单原子层Ni3N催化剂（Pd1/Ni3N），在碱性介质中驱动高效耐用的HOR。由于独特的配位模式和原子分散的催化位点，Pd1/Ni3N催化剂具有高的固有活性和质量活性，以及优异的抗氧化能力和耐CO性。其HOR质量活性在50 mV的过电位下达到7.54 A mgPd−1。Pd1/Ni3N作为阳极催化剂的AEMFC显示出31.7 W mgPd−1的高功率密度，阳极贵金属负载量极低，仅为0.023 mgPd cm−2。相关工作以“Pd1Ni2Trimer Sites Drive Efficient and Durable Hydrogen Oxidation in Alkaline Media”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者报告了Ni3N锚定Pd单原子（Pd1/Ni3N）的设计，作为AEMFC中HOR的高活性和耐用催化剂。首先通过密度泛函理论（DFT）模拟研究了Pd1/Ni3N结构上的吸附行为，揭示了双Pd1Ni2三聚体位点能够实现独特的“Pd1Ni2上的*H−HV+Pd1Ni2−HN上的*OH”吸附模式。

要点2.由于d带中心和电荷重排的调节，*H和*OH的吸附被调整到适当的水平，加速了HOR动力学并增强了抗氧化能力。这种模型是通过无氨氮化和电偶置换工艺实验实现的。

要点3.得益于所获得的具有高本征活性的明确定义的Pd1Ni2三聚体位点和具有高原子利用率的原子分散结构，Pd1/Ni3N催化剂表现出优异的HOR活性，在50 mV的过电位下提供7.54 A mgPd−1的质量活性。Pd1/Ni3N表现出令人印象深刻的抗氧化能力，击穿电位为0.35 V，以及出色的长期耐久性和耐CO性。通过使用仅0.023 mgPd cm−2的超低阳极PGM负载，采用Pd1/Ni3N的AEMFC实现了31.7 W mgPd−1的高功率密度。

本研究为原子水平上高性能碱性HOR催化位点的设计提供了指导。

研究图文

图1. 理论预测。

图2. 催化剂合成和表征。

图3. 电催化HOR性能。

图4. AEMFC性能。

文献详情

Pd1Ni2 Trimer Sites Drive Efficient and Durable Hydrogen Oxidation in Alkaline Media

Shu-Qi Wang, Ze-Cheng Yao, Zhuo-Qi Shi, Xuerui Liu, Tang Tang, Hai-Rui Pan, Lirong Zheng, Qinghua Zhang, Dong Su, Zhongbin Zhuang, Lu Zhao,* Qi An,* Jin-Song Hu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: h https://doi.org/10.1021/jacs.4c17605

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