By: Kate Blackwood, Cornell Chronicle
March 23, 2022
康奈尔大学的研究人员发现，氮掺杂的碳涂层镍阳极可以催化氢燃料电池的基本反应，而成本只是目前使用的贵金属的一小部分。
这项新发现可能会加速氢燃料电池的广泛应用。氢燃料电池作为一种高效、清洁的能源，在汽车和其他应用领域有着巨大的前景。
这是Héctor D. Abru?a实验室的一系列发现之一，他们正在寻找碱性燃料电池中使用的活性、廉价、耐用的催化剂。
“这一发现在使用高效、清洁的氢燃料电池代替化石燃料方面取得了进展，”艺术与科学学院化学与化学生物学系的Emile M. Chamot教授(Abru?a)说。
这项研究结果发表在3月21日的《美国国家科学院院刊》上，题为《使用碳涂层镍阳极增强性能的完全无贵金属碱性燃料电池》。
目前，氢燃料电池需要昂贵的贵金属，如铂，以有效地催化它们用来发电的反应。虽然碱性聚合物电解质膜燃料电池(apemfc)可以使用非贵金属电催化剂，但它们缺乏必要的性能和耐久性来替代贵金属体系。
燃料电池通过氢氧化反应(HOR)和氧还原反应(OOR)产生电能。Abru?a表示，铂是这两种反应的典型催化剂，因为它能有效催化这两种反应，而且在PEM燃料电池的酸性环境中也能持久。
但是其他材料呢?
研究人员写道，最近的非贵金属HOR电催化剂实验需要克服两个主要挑战:由于氢键能太强而导致的固有活性低，以及由于金属氧化物生成迅速钝化而导致的耐久性差。
为了克服这些挑战，研究人员设计了一种镍基电催化剂，该催化剂具有氮掺杂碳制成的2纳米外壳。
他们的氢燃料电池有一个阳极(氢被氧化的地方)催化剂，由一个被碳壳包围的固体镍核组成。当配以钴锰阴极(氧气被还原的地方)，产生的完全无贵金属氢燃料电池输出超过200毫瓦每平方厘米。
Abru?a说，镍电极表面镍氧化物的存在大大减缓了氢氧化反应。氮掺杂碳涂层起到了保护层的作用，增强了热霍尔动力学，使反应速度更快，效率更高。
此外，石墨烯涂层在镍电极上的存在阻止了镍氧化物的形成，从而大大提高了电极的寿命。这些电极对一氧化碳的耐受性也要强得多，因为一氧化碳会迅速毒害铂。
Abru?a表示:“这种新型阳极的使用将大大降低价格，使碱性燃料电池在更广泛的领域得到应用。”
今年2月，Abru?a和包括DiSalvo在内的同事发现，氮化钴催化剂在催化氧还原反应方面几乎和铂一样有效。
本研究由碱性能源解决方案中心、美国能源部资助的能源前沿研究中心、美国科学与基础能源科学办公室和中国武汉大学Zhuang研究小组提供，国家自然科学基金支持。
康奈尔材料研究中心的STEM设施是由美国国家科学基金材料研究科学与工程中心支持的。这项计算工作的一部分是利用国家能源研究科学计算中心和阿贡国家实验室纳米材料中心的超级计算机资源完成的。
康奈尔大学是美国纽约伊萨卡的一所男女同校的高等教育机构，是常春藤盟校之一。康奈尔大学校园占地745英亩(301公顷)，可以俯瞰卡尤加湖(指湖之一)和周围的农场、保护区和娱乐区。根据1862年的《莫里尔法案》(Morrill Act)，这所大学作为纽约州的一所赠地大学而成立，它也是由西联电 公司(Western Union Telegraph Company)创始人埃兹拉·康奈尔(Ezra Cornell)私人捐赠的。康奈尔大学建立了学校的财政基金，外交家和学者安德鲁·迪克森·怀特建立了学校的形式。1865年，学校获得了特许，1868年成立，怀特任第一任校长。它从一开始就无宗派，提供了比当时普遍的更广泛的课程，并开始接受任何被认为有用的调查和指导。康奈尔大学是美国第一个被分成学院提供不同学位的大学，也是东部第一批招收女性的大学之一(1870年)。
农业专业的学习很早就吸引了很多学生来康奈尔大学学习，并一直占据着招生的大部分，尽管这所大学也有很多生物科学、商业管理、工程和社会科学专业的学生毕业。康奈尔大学由许多学院、学院和研究生院组成，其中大部分是由私人资助的。其中最大的是艺术与科学学院，它专注于人文学科。其他四年制私立学校提供建筑、艺术和规划方面的教学;工程;和酒店管理。私人支持的专业和研究生院包括法律、企业管理和医学。康奈尔大学还在伊萨卡运营着四所州立大学，它们是纽约州立大学系统的一部分;这些学校专门研究农业和生命科学、人类生态学、工业和劳动关系以及兽医。康奈尔大学医学院是纽约市一个复杂的医学教学和研究机构的一部分，包括纽约医院和纪念斯隆-凯特琳癌症中心。在这所大学的特殊课程中，值得注意的是农村社会学，它反映了学校为社区服务的历史。该大学的总注册人数约为19,500人。
Carbon-coated nickel enables fuel cell free of precious metals | Chemistry & Chemical Biology Cornell Arts & Sciences
Cornell University | university, Ithaca, New York, United States | Britannica
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