中科大高敏锐教授课题组Nano Letters：过渡金属氮化物驱动碱性膜燃料电池

第一作者：张晓隆，胡少进，王业华

通讯作者：高敏锐

单位：中国科学技术大学

氢氧燃料电池由于比能量高、零碳排放和能量转换效率高等优势，被认为是最有前途的氢能源转换装置。尽管质子交换膜燃料电池的功率密度可达>1 W cm^-2，但其阳极和阴极均依赖于铂族催化剂，导致成本居高不下，严重阻碍了该技术的商业化进程。相比之下，阴离子交换膜燃料电池 (AEMFC) 能容许使用非贵金属来设计阳极和阴极催化剂，显著降低成本。

利用非贵金属催化剂驱动AEMFC已成为研究热点，虽然当前已经有一些非贵金属催化剂用于AEMFC，但是其活性和稳定性需要进一步提高，导致AEMFC的峰值功率密度仍较低。特别地，完全非贵金属催化剂驱动的AEMFCs鲜有报道。

基于此，中国科学技术大学高敏锐教授课题组利用等离子体增强化学气相沉积方法制备了高质量的Ni₃N和ZrN，分别展现出优异的碱性氢气氧化（HOR）和氧气还原（ORR）性能。利用Ni₃N作为阳极和ZrN作为阴极组装的AEMFC在 H₂-O₂ 和H₂-air条件下分别展现了256 mW cm^-2 和151 mW cm^-2的功率密度。

在H₂-O₂条件下，该完全非贵金属催化剂驱动的AEMFC稳定工作25个小时性能不衰减。相关成果以“Plasma-Assisted Synthesis of Metal Nitrides for an Efficient Platinum-Group-Metal-Free Anion-Exchange-Membrane Fuel Cell”为题发表在在国际知名期刊Nano Letters上。

图1. 等离子体增强化学气相沉积制备的Ni₃N和ZrN展现优异的碱性HOR和ORR催化性能。

传统方法制备过渡金属氮化物是使用腐蚀性强的氨气或者尿素等作为氮源。然而，这种合成方法一般会带来环境污染；而且，由于需要使用较高的合成温度，会导致材料烧结，导致活性位点减少。相比之下，利用氮气作为氮源，借助等离子体增强化学气相沉积方法可以有效的解决上述问题。另外，这种方法可以扩展到在各自的金属箔上，制备晶片级的Ni₃N和ZrN层，展现出很好的应用前景。

图2. 等离子体增强化学气相沉积法制备高质量的Ni₃N和ZrN。

要点二：燃料电池系统性能测试

旋转圆盘电极测试结果表明，Ni₃N和ZrN分别具有优异的碱性HOR活性和ORR活性，接近贵金属Pt/C催化剂，并且展现出良好的耐久性和稳定性。此外，将Ni₃N和ZrN分别用作阳极催化剂和阴极催化剂组装到AEMFC中，在H₂-O₂ 和H₂-air的测试条件下分别展现出256 mW cm^-2 和151 mW cm^-2的功率密度，并且可能够稳定的工作25个小时性能不衰减。

图3. Ni₃N和ZrN的电化学性能测试。

要点三：理论计算分析活性增强机制

理论计算研究发现，氮元素插入到金属晶格的间隙位点中，会优化金属位点的电子结构，使得金属位点的d带中心进一步远离费米能级，从而减弱了Ni₃N中的Ni活性位点对H中间体的吸附能，并且使得Ni₃N展现出了对OH中间体优异的吸附能力，从而赋予Ni₃N优异的碱性HOR活性。此外，N的存在也削弱了ZrN中的Zr活性位点对O中间体的吸附能，使得其接近最优的O吸附能，从而赋予ZrN优异的碱性ORR活性。

图4. DFT理论计算。

Plasma-Assisted Synthesis of Metal Nitrides for an Efficient Platinum-Group-Metal-Free Anion-Exchange-Membrane Fuel Cell

高敏锐，中国科学技术大学教授，国家杰出青年基金获得者。2012年在中国科学技术大学获博士学位，师从俞书宏院士。2012年至2016年先后在美国特拉华大学、阿贡国家实验室和德国马普协会胶体与界面研究所从事博士后研究。入选国家高层次人才计划青年项目（终期考核优秀）、科睿唯安（Clarivate）和爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者榜单。

研究方向是基于无机纳米材料结构的可控合成及优化，实现可持续电能在洁净氢以及高附加值燃料分子中的高效、廉价存储及转换。近五年已发表30余篇通讯作者论文，包含Nat. Catal.（1）,Nat. Commun.（7）, Angew. Chem.（8）、JACS（5）、EES（3）和Adv. Mater.（2）等。

曾获中国科大海外校友基金会青年教师事业奖（2021）、Energy & Fuels Rising Star（2021）、中国新锐科技人物（2020）、RSC JMCA emerging investigator（2020）、香港求是基金会“杰出青年学者奖”（2018）、中科院优秀博士论文（2014）、中科院院长特别奖（2012）等奖励。现担任中国青年科技工作者协会理事（2020）。

科学材料站招聘2023年电催化工程师（二氧化碳还原方向，硕士研究生）

同时招收本科生（化材专业）、实习生等，详情请咨询

投稿请联系contact@scimaterials.cn