據外媒報道，康奈爾大學（Cornell University）化學家稱發現一類非貴金屬衍生物——過渡金屬氮化物（TMN），可以催化堿性燃料電池中的氧還原反應（ORR），但成本與鉑相近。該研究康奈爾大學藝術與科學學院化學與化學生物學系Émile M. Chamot教授 Héctor D. Abruña領導，并發表于期刊《Science Advances》。

（圖片來源：期刊《Science Advances》）

 

       與內燃機相比，氫燃料電池具有更高的整體能源效率和潛在的零碳排放，因此在未來汽車運輸領域具有很大前景。然而，目前加速質子交換膜燃料電池（PEMFC）中的緩慢氧還原反應（ORR）普遍采用昂貴的鉑（和其他貴金屬），使得氫燃料電池無法在電動汽車被廣泛應用。盡管目前已有大量研究采用合金化和納米結構來最大限度地減少鉑的使用，并提高其內在活性，但用非貴金屬或氧化物代替鉑更具前景。

 

       與催化劑占燃料電池堆成本約40%的PEMFC相比，陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）的主要優勢在于它們能夠憑借堿性電解質中催化劑高穩定性，以使用基于非貴重過渡金屬的ORR催化劑。為了促進堿性介質中的ORR動力學，研究人員已對非貴重催化劑進行了大量研究，包括金屬-氮-碳、過渡金屬氧化物和鈣鈦礦。特別是過渡金屬氧化物，如鈷錳尖晶石氧化物，在膜電極組件（MEA）中表現出超過1 W cm-2的功率密度。然而這些半導體尖晶石氧化物的低固有電導率阻礙了其ORR活性的進一步改進。

 

       理想的ORR電催化劑應具有負責催化ORR過程的活性表面和促進電荷轉移的導電體。因此，開發導電非貴金屬催化劑代表著一種可行且有吸引力的方法，以規避導電性問題并提高ORR性能。

 

       TMN是一種衍生自鈷、錳、鐵和其他過渡金屬的化合物，可以導電，并且當暴露在空氣中時，會形成一層薄的氧基外殼，為催化化學反應提供表面。在合成一系列具有導電氮化物核和活性氧化物殼的TMN后，該團隊在模型氫燃料電池中測試了每種候選催化劑。

 

       錳和鐵基候選材料表現強勁。但截至2月2日，氮化鈷催化劑表現更好，其效率與鉑幾乎相同，而成本降低了475倍。碳負載的氮化鈷（Co3N/C）催化劑的半波電位為0.862 V，其峰值功率密度在堿性膜電極組件中已報道的700 mW cm-2氮化物陰極催化劑中打破了記錄。

 

       Héctor Abruña表示：“氫燃料電池非常強大，可大大提高傳統發動機的運行效率。因此設計出穩定且價格合理的催化劑非常有必要。”