摘要
Developing highly efficient platinum‐group‐metal‐free electrocatalysts towards hydrogen oxidation reaction(HOR)under alkaline electrolyte is critical for the development of alkaline exchange member fuel cells.Herein,we reported the synthesis of boron doped Ni electrocatalyst(B‐Ni/C)and its remarkable alkaline HOR performance,with a 10‐fold mass activity enhancement compared with that of undoped Ni catalyst.Experimental results and density functional theory calculations indicate the d‐p hybridization between the p orbital of B and the d orbital of Ni via B‐doping could lead to promoted OH adsorption and optimized hydrogen binding energy on Ni surface,which together with the reduced formation energy of water species,contributes to the enhanced HOR performance under alkaline electrolyte.
与质子交换膜燃料电池相比,碱性交换膜燃料电池(AEMFC)能够同时在阳极和阴极使用非贵金属,从而显著降低燃料电池的成本.目前,在阴极氧还原反应(ORR)已经开发出可以媲美Pt/C的非贵金属催化剂,而阳极氢氧化反应(HOR)最有希望的非贵金属催化剂仅限于镍基催化剂,且其催化性能却远落后于铂基电催化剂.因此,开发高效、稳定的碱性HOR镍基催化剂对于推动AEMFC的实际应用具有重要意义.本文通过对负载在XC-72上的无定型硼化镍(NiB/C)进行煅烧,得到了硼掺杂的镍(B-Ni/C).粉末X射线晶体衍射结果表明,煅烧后催化剂的晶体形式为fcc相的Ni.透射电子显微镜结果表明,催化剂呈分散的纳米颗粒状态,能量色散光谱图也证明了Ni、B元素均匀分布于C上.在0.1 mol/L KOH条件下进行HOR活性测试,B-Ni/C样品的比面积交换电流密度和在50 mV过电位下的比质量交换电流密度分别为0.035 mA cm_(Ni)^(–2)和27.95 mA mg_(Ni)^(–1),与未掺杂硼的镍碳(Ni/C)催化剂相比,其质量活性提高了10倍.在加速耐久性测试中,B-Ni/C催化剂在氩气中1000圈电位循环后仍具有一定的氢氧化活性,表明其具有较好的抗氧化稳定性.在含有万分之一浓度CO的H_(2)中进行长时间计时电流法测试结果表明,相比于Pt/C,NiB/C活性仅有轻微损失,表现出出色的抗CO能力.此外B-Ni/C在1 mol/L KOH条件下也具有较好的HER性能,仅需128 mV的过电位就可以达到10 mA cm^(‒2)的电流密度.实验和密度泛函理论计算表明,B掺杂后,B的p轨道和Ni的d轨道之间会形成d-p杂化,从而促进Ni表面对OH的吸附,同时优化了其表面的氢结合能,降低了水物种的形成能,有助于提高碱性条件下的HOR性能.综上,本文通过简单方法设计了一种杂原子掺杂的镍基催化剂,其表现出较好的氢氧化活性,为开发低成本、高效的非铂碱性HOR催化剂提供了新的视角.
基金
国家重点研发计划(2018YFB1502302)
国家自然科学基金(21972107,21633008)
江苏省自然科学基金(BK20191186)
湖北省自然科学基金(2020CFA095).
