近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授課題組報道在堿性氫氣氧化反應(yīng)中，鎳-鎢合金中的鎢的比例可以精細調(diào)控鎳的未配對電子，進而調(diào)節(jié)合金的零電荷電勢和羥基吸附能力，打破電解液中鉀離子溶劑鞘，釋放自由水，提升氫鍵網(wǎng)絡(luò)的連通性，從而帶來催化性能的增益。相關(guān)成果以“Unraveling Stoichiometry Effect in Nickel-Tungsten Alloys for Efficient Hydrogen Oxidation Catalysis in Alkaline Electrolytes”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》上。
氫-氧燃料電池以其能量轉(zhuǎn)換效率高、加氫速度快、續(xù)航里程長、零碳排放等優(yōu)點，成為極具吸引力的汽車動力源。與依賴鉑催化劑的質(zhì)子交換膜燃料電池相比，陰離子交換膜燃料電池容許使用非鉑金屬催化劑。然而，在堿性電解質(zhì)中，陽極氫氣氧化反應(yīng)（HOR）動力學(xué)比在酸性介質(zhì)中降低約100倍。目前，鎳基HOR催化劑在堿性中表現(xiàn)出極具潛力的HOR性能。然而，要達到商業(yè)應(yīng)用要求，其活性和穩(wěn)定性仍需進一步提升。
圖1：鎳-鎢合金催化氫氣氧化反應(yīng)的機理研究
研究人員通過微波熱策略制備了鎳-鎢氫氧化物前驅(qū)體，再經(jīng)過退火即可制備鎳-鎢合金。不同化學(xué)計量比的鎳-鎢合金的HOR活性依次為Ni19W＜Ni9W＜Ni3W＜Ni4W＜Ni17W3，其中Ni17W3的性能最佳，優(yōu)于商業(yè)鉑碳催化劑。
通過原位拉曼光譜對界面水結(jié)構(gòu)的探究發(fā)現(xiàn)，與其他鎳-鎢合金相比，Ni17W3的“gap-H2O”分子比例最高，表明其氫鍵網(wǎng)絡(luò)的連通性最好。此外，系列電化學(xué)表征表明，Ni17W3具有最強的羥基結(jié)合能和最小的表面功函數(shù)與零電荷電勢（PZC）。較小的PZC有利于界面水結(jié)構(gòu)的重組，而吸附的羥基則易于溶劑中鉀離子配位，打破其溶劑鞘，釋放自由水，有利于構(gòu)建更聯(lián)通的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
為了進一步驗證鎳-鎢比在電子結(jié)構(gòu)調(diào)制方面的作用，研究人員通過電子順磁共振、溫度相關(guān)磁化率測量，確定Ni17W3的未配對Ni 3d電子平均數(shù)量為3.7，大于其他鎳-鎢合金。未配對電子增加改變了鎳三維軌道電子構(gòu)型，不但減小了表面功函、帶來PZC的減小，并且導(dǎo)致d帶中心的上移、提高了OH的吸附能。
因此，通過將鎳與電負性小的鎢合金化，微調(diào)鎳的未配對電子，實現(xiàn)有利于羥基吸附的PZC和表面電子態(tài)。吸附的羥基可以與電解液中的鉀離子配位，打破鉀陽離子的溶劑鞘，增加自由水分子，構(gòu)建連通性更好的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而有利于H+/OH-中間體通過Grotthuss機制傳輸，增加了催化性能。該工作揭示的新機制對于突破當前非貴金屬堿性HOR催化劑的性能極限和創(chuàng)制新一代非鉑催化劑具有重要的借鑒意義。
論文的通訊作者是合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心高敏銳教授，共同第一作者為中國科大博士研究生王業(yè)華、博士研究生楊宇、博士后高飛躍。相關(guān)研究受到國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、國家重大科學(xué)研究計劃、安徽省重點研究與開發(fā)計劃等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202407613
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、科研部）
