最新Nature Energy！重庆大学「长江学者」魏子栋，电催化又一力作！丁炜共同通讯

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阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）是一种极具吸引力和成本效益的能源转换技术，因为它可以使用地球丰产且低成本的非贵金属催化剂。然而，AEMFC中用于催化氢氧化反应（HOR）的非贵金属容易发生自氧化，导致不可逆转的失效。

2024年8月5日，重庆大学化学化工学院魏子栋教授/丁炜教授、英国拉夫堡大学化学工程系林文锋教授团队合作在Nature Energy期刊发表题为“Quantum confinement-induced anti-electrooxidation of metallic nickel electrocatalysts for hydrogen oxidation”的研究论文，团队成员周圆圆为论文第一作者，丁炜教授、林文锋教授、魏子栋教授为论文共同通讯作者。

丁炜，重庆大学化学化工学院教授/应用化学系主任，专注于新能源化工、燃料电池、能源转换、电解水、电催化剂设计制备、电化学解析等研究；2011年硕士/2014博士毕业于重庆大学化学化工学院，导师：魏子栋教授；2014年加入重庆大学化学化工学院历任讲师/副教授/教授。

魏子栋，重庆大学化学化工学院教授，教育部长江学者特聘教授、国家重点研发计划项目首席科学家，专注于电化学反应工程、分子催化及新能源材料化学与化工等研究。

该研究展示了一种类似量子阱的催化结构（QWCS），它是通过将Ni纳米颗粒限制在碳掺杂的MoOx/MoOx异质结（C-MoOx/MoOx）中构建的，它可以选择性地从氢氧化反应中转移外部电子，同时保持自身的金属性。Ni纳米粒子的电子获得了 由QWCS提供的1.11 eV的势垒，从而使Ni的稳定性高达1.2 V VRHE。而氢氧化反应释放的电子很容易通过QWCS对氢吸附的门控操作穿过势垒。QWCS催化的AEMFC实现了486 mW mgNi-1的高功率密度，并且在关机-启动循环期间耐氢饥饿操作，而没有QWCS的AEMFC在单个循环中即失败。

该研究通过将Ni纳米颗粒限制在异质结中，以晶体化碳掺杂MoOx（C-MoOx）为低能谷，以无定形MoOx为高能垒，构建了量子阱催化结构（QWCS）（该催化剂被命名为Ni@C-MoOx）。Ni@C-MoOx可以选择性地转移由HOR催化产生的外部电子，但不能在QWCS的谷内转移来自Ni催化剂的电子。与量子阱晶体管类似，其开/关状态取决于施加的电压来改变电子通道的电子导电性，QWCS也是通过氢吸附在Ni上获得电子而激活，但却被含氧物种的吸附所屏蔽。

图1. QWCS示意图

图2. Ni@C-MoOx的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜

图3. HOR催化性能

图4. 氢燃料电池性能

图5. 配位分析

图6. 机理研究

总之，该研究报道了量子约束金属Ni纳米颗粒在碱性介质中对HOR具有强大抗电氧化性能、卓越的耐久性和反应活性，即使在高阳极电位（例如高达1.2 VRHE）下，它们也非常稳定。在Ni和Mo的界面上产生了界面偶极效应（Mo处的电子态和Ni处的空穴态），将电子限制在界面内以防止Ni的电氧化，而当氢原子吸附在Ni上时，这种效应就会消失，从而解除限制进行HOR的电催化。因此，无论是在0.3 VRHE的苛刻条件下连续运行100小时，还是在0.7 VRHE的极高阳极电位下加速测试10小时，制备的Ni@C-MoOx纳米催化剂都表现出优异的HOR催化稳定性。所制备的Ni@C-MoOx阳极催化碱性燃料电池的比功率密度高达486 mW mgNi-1，并且在反复的燃料开关循环（关机-启动循环期间典型的氢饥饿操作）中未观察到性能损失。该研究提供了一种有效策略，利用量子约束效应来增强低成本、地球丰产非贵金属纳米颗粒的抗电氧化能力，从而在燃料电池及其他领域中实现氢氧化物的（电）催化。

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