在过去的几年中，由于质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的高度先进，氢燃料电池汽车已开始进入市场。然而，当前的PEMFC严重依赖于铂（Pt）基电催化剂，以在低pH值下驱动缓慢的阴极氧还原反应（ORR），从而提高了成本竞争力。与PEMFC相比，氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）具有关键的优点，可以采用不含铂族金属（PGM）的催化剂来实现优异的ORR，从而大幅降低成本。不幸的是，PGM催化剂(如Pt、Ir和Pd)上的阳极氢氧化反应（HOR）活性在碱性电解质中比在酸性电解质中慢两到三个数量级。因此，这会导致阳极处更高的PGM负载，这在很大程度上抵消了使用无PGM阴极所降低的成本。因此，开发在碱中具有高本征HOR活性的耐久不含PGM的电催化剂对HEMFC技术的应用具有重要意义。

近日，中科大俞书宏院士，高敏锐教授报道了一种双金属MoNi4合金电催化剂作为无PGM HEMFC阳极用于碱性电解质中高效HOR催化。

文章要点

1）首次通过微波加热Ni(NO₃)₂·6H₂O和(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O（或(NH₄)₁₀W₁₂O₄₁·xH₂O）在200 °C的NH₃·H₂O/乙二醇/H₂O混合溶剂中合成了片状Mo(W)掺杂Ni(OH)₂前驱体。然后，将生成的绿色粉末在400 °C的氢气/氩气（H₂/Ar：5/95）气氛中退火，以制备Mo-Ni合金（W-Ni合金）。此外，微波反应器配备了自动臂，因此，可获得克级的Mo(W)-Ni合金，用于规模制备。

2）Mo-Ni合金在退火过程中由于纳米片的聚集而产生了更多的狭缝状气孔。经像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像显示，Mo-Ni合金的纳米片相互连接，表面多孔，而W-Ni合金是由重叠的纳米颗粒聚集形成。原子分辨率HAADF-STEM图像和相应的快速FT分析表明，形成了四方相MoNi4和WNi4。在MoNi4和WNi4合金表面可以观察到丰富的原子台阶。

3）MoNi4纳米催化剂的几何交换电流密度为3.41 mA cm^-2，比商品Pt/C催化剂的交换电流密度高1.4倍，优于已有报道的碱性条件下不含PGM的催化剂。在50 mV时，MoNi₄催化剂的几何动力学电流密度为33.8 mA cm^-2，分别比新合成的Ni催化剂和商品Pt/C催化剂提高105倍和2.8倍。此外，这种合金催化剂对氢燃料中杂质CO的表面中毒也表现出令人印象深刻的耐受性。此外，在运行20 h后，HOR活性没有明显下降。

4）优化的Ni-Mo(Mo)合金纳米结构和表面协同优化了氢在Ni上的吸附和羟基在相邻Mo(W)上的吸附，从而获得了高反应性。此外，设计类似的WNi₄合金在碱性环境下也具有明显的HOR活性。

研究结果提供了一种有前途的合金设计策略，可用于生产低成本HEMFC阳极的高活性和耐用HOR电催化剂。

Duan, Y., Yu, Z., Yang, L. et al. Bimetallic nickel-molybdenum/tungsten nanoalloys for high-efficiency hydrogen oxidation catalysis in alkaline electrolytes. Nat Commun 11, 4789 (2020)

DOI：10.1038/s41467-020-18585-4

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18585-4