科研人员开发出低贵金属串联氢氧化反应催化剂

氢燃料电池是氢能高效利用的重要载体。当前质子交换膜燃料电池（PEMFC）、阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）均需依赖贵金属催化剂。如何在大幅降低贵金属用量的同时兼顾氢氧化反应（HOR）活性、稳定性与抗中毒能力，成为燃料电池阳极材料亟待突破的核心瓶颈。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所科研团队，开发出低贵金属串联HOR催化剂（Ni@NCNi₁-Ru₁）。该催化剂以镍纳米颗粒为内核，外层负载单原子钌与镍的氮掺杂石墨层。性能测试表明，该催化剂在酸、碱电解液中均表现出高HOR活性，经加速耐久性测试后仍保持高活性，且抗一氧化碳中毒能力强。

研究通过原位同步辐射、原位红外表征结合理论计算，证实了镍颗粒可以解离氢气生成氢中间体，再迁移至钌位点与吸附的羟基结合生成水。该机制既规避了镍在工作电位区间的氧化失活，也避免了碳层对活性位点的屏蔽，大幅提升了反应效率。燃料电池器件测试表明，当阳极钌载量仅为1μg cm^-2时，AEMFC和PEMFC的峰值功率密度分别达2.36W cm^-2和3.26W cm^-2，且可稳定运行200小时。AEMFC阳极铂族金属的质量比功率达2360W mg^-1，是商业铂钌碳阳极的109倍。

该研究通过构建核壳结构分隔不同活性位点，利用中间体迁移实现协同催化，极大地提高了低贵金属载量下HOR效率，有望为低成本燃料电池提供关键材料支撑。

相关研究成果发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。研究工作得到国家自然科学基金、欧洲区域发展基金及中国科学院国际人才计划等的支持。

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燃料电池稳定性测试