ACS Catalysis: Ta作為親氧劑對NiMo/C的雙功能作用增強堿性氫氧化反應

一、【導讀】

? ?開發用于替代現有鉛酸電池和柴油發電機的備用電源燃料電池是一個活躍的研究領域。燃料電池技術作為備用電源以其響應速度快、低溫運行、系統穩定性好、發電效率高、燃料通用性等優點受到廣泛關注。特別是，質子交換膜燃料電池（PEMFC）被認為是具有最先進和最成熟的有前途的能源。然而，在酸性介質中的PEMFC通常使用鉑族金屬（PGM）催化劑。然而PGM催化劑因價格昂貴導致工業發展受到限制。為此有研究學者提出在堿性介質中運行，并使用不含PGM催化劑的陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）作為替代方案。盡管 AEMFC 具有經濟實力，但與商業化階段的 PEMFC 相比，缺乏對催化作用和材料間相互作用的了解，無法實現高電流密度和耐久性。因此，合理設計并開發出用于AEMFC的無PGM有效陽極氫氧化反應（HOR）催化劑是至關重要的。

二、【成果掠影】

? ?近日，浦項科技大學Yong-Tae Kim教授團隊提出了一種通過將鉭（Ta）作為親氧劑沉積在商用NiMo/C催化劑的表面來增強堿性介質中HOR催化活性的策略。相關的研究成果以“Enhancement of the Hydrogen Oxidation Reaction in Alkaline Media via a Bi-functional Effect Using Tantalum as an Oxophilic Agent on NiMo/C ”為題發表在ACS Catalysis上。

三、【核心創新點】

? ?1、作者展示了一種通過物理氣相沉積（PVP）技術在商業NiMo/C上負載Ta（Ta-on-NiMo/C），作為陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）的陽極催化劑。Ta的高親氧性確保連續的OH^–供應，Ta和Ni之間的雙功能效應加速了HOR。

? ?2、與裸露的NiMo/C相比，Ta-on-NiMo/C顯示出高1.5倍的HOR活性。此外，在膜電極組件中Ta-on-NiMo/C用作陽極催化劑增強電池整體性能，并證明了Ta作為親氧劑的作用。

四、【數據概覽】

圖1 與商用 Pt/C 和 NiMo/C 相比，Ta-on-NiMo/C 的氫氣氧化活性。H飽和的0.1 M KOH中 HOR極化曲線。? 2023 ACS publication

圖2 初始狀態，CV 測量后以及 HOR后的Ta-on-NiMo/C的 XPS光譜，(a) Ta 4f、(b) Ni 2p、(c) Mo 3d 和 (d) O 1s。? 2023 ACS publication

圖3 Ta-on-NiMo/C的XANES 光譜和 FT 幅度，(a, d) Ta L₂-edge、(b, e) Ni K-edge 和 (c, f) Mo K-edge。? 2023 ACS publication

圖4初始狀態，CV 測量后以及 HOR后的Ta-on-NiMo/C的(a) Ni K-edge 和 (b) Mo K-edge 的 XANES 光譜和 (c) Ni K-edge 的實驗EXAFS信號的 FT幅度。? 2023 ACS publication

圖5? MEA中商用NiMo/C 和Ta-on-NiMo/C的電化學實驗。(a) AEMFC電池的極化曲線和高頻電阻和(b)Tafel圖。? 2023 ACS publication

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五、【成果啟示】

? ? 綜上所述，作者成功通過磁控濺射在商業NiMo/C上沉積Ta制備了Ta-on-NiMo/C催化劑，為堿性 HOR的電催化劑性能不足提供了解決方案。Ta-on-NiMo/C的雙功能效應有助于在氫解離后的質子吸附和堿性電解質中接近陰離子方面實現了最佳的協同電化學相互作用。此外，Ta-on-NiMo/C改進了膜電極組件（MEA）的性能，并為設計用于AEMFC 的不含 PGM 的陽極催化劑提供了一個新平臺。

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原文詳情：https://doi.org/10.1021/acscatal.2c05816

本文由K . L撰稿。