康奈尔化学家发现过渡金属氮化物催化剂 以用于碱性燃料电池

据外媒报道，康奈尔大学（Cornell University）化学家称发现一类非贵金属衍生物——过渡金属氮化物（TMN），可以催化碱性燃料电池中的氧还原反应（ORR），但成本与铂相近。该研究康奈尔大学艺术与科学学院化学与化学生物学系Émile M. Chamot教授 Héctor D. Abruña领导，并发表于期刊《Science Advances》。

（图片来源：期刊《Science Advances》）

与内燃机相比，氢燃料电池具有更高的整体能源效率和潜在的零碳排放，因此在未来汽车运输领域具有很大前景。然而，目前加速质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的缓慢氧还原反应（ORR）普遍采用昂贵的铂（和其他贵金属），使得氢燃料电池无法在电动汽车被广泛应用。尽管目前已有大量研究采用合金化和纳米结构来最大限度地减少铂的使用，并提高其内在活性，但用非贵金属或氧化物代替铂更具前景。

与催化剂占燃料电池堆成本约40%的PEMFC相比，阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）的主要优势在于它们能够凭借碱性电解质中催化剂高稳定性，以使用基于非贵重过渡金属的ORR催化剂。为了促进碱性介质中的ORR动力学，研究人员已对非贵重催化剂进行了大量研究，包括金属-氮-碳、过渡金属氧化物和钙钛矿。特别是过渡金属氧化物，如钴锰尖晶石氧化物，在膜电极组件（MEA）中表现出超过1 W cm-2的功率密度。然而这些半导体尖晶石氧化物的低固有电导率阻碍了其ORR活性的进一步改进。

理想的ORR电催化剂应具有负责催化ORR过程的活性表面和促进电荷转移的导电体。因此，开发导电非贵金属催化剂代表着一种可行且有吸引力的方法，以规避导电性问题并提高ORR性能。

TMN是一种衍生自钴、锰、铁和其他过渡金属的化合物，可以导电，并且当暴露在空气中时，会形成一层薄的氧基外壳，为催化化学反应提供表面。在合成一系列具有导电氮化物核和活性氧化物壳的TMN后，该团队在模型氢燃料电池中测试了每种候选催化剂。

锰和铁基候选材料表现强劲。但截至2月2日，氮化钴催化剂表现更好，其效率与铂几乎相同，而成本降低了475倍。碳负载的氮化钴（Co3N/C）催化剂的半波电位为0.862 V，其峰值功率密度在碱性膜电极组件中已报道的700 mW cm-2氮化物阴极催化剂中打破了记录。

Héctor Abruña表示：“氢燃料电池非常强大，可大大提高传统发动机的运行效率。因此设计出稳定且价格合理的催化剂非常有必要。”