氫燃料電池在發(fā)電過程中僅以水作為副產(chǎn)物，是未來實(shí)現(xiàn)凈零能源系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池依賴鉑基催化劑，這帶來了成本和耐久性方面的障礙。堿性陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）允許使用更廉價(jià)的非貴金屬催化劑，但在堿性介質(zhì)中，氫氧化反應(yīng)（HOR）的動(dòng)力學(xué)速率比酸性條件下慢2至3個(gè)數(shù)量級(jí)，限制了其性能。鎳因其資源豐富且電子結(jié)構(gòu)與鉑相似，被認(rèn)為是最具吸引力的替代材料，但仍存在氫吸附過強(qiáng)和表面易氧化的問題。基于這些挑戰(zhàn)，推進(jìn)鎳基HOR催化劑的發(fā)展仍需要更深入的機(jī)理理解和材料設(shè)計(jì)策略。

來自華中科技大學(xué)及其合作機(jī)構(gòu)的研究人員于2025年9月在eScience期刊發(fā)表了一篇綜合性綜述論文：DOI：10.1016/j.esci.2025.100400

該綜述系統(tǒng)總結(jié)了堿性HOR條件下鎳基非貴金屬電催化劑的研究進(jìn)展，整合了：

• 催化機(jī)理理論
• 性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
• 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

并提出了用于材料開發(fā)的元素導(dǎo)航圖。

通過比較已報(bào)道的催化劑、測(cè)試流程和活性基準(zhǔn)，闡明了理性設(shè)計(jì)如何加速鎳基催化劑走向?qū)嶋H燃料電池應(yīng)用。

該綜述首先解析了涉及Tafel、Volmer和Heyrovsky步驟的反應(yīng)路徑，闡述了氫結(jié)合能（HBE）和氫氧根結(jié)合能（OHBE）對(duì)催化速率的控制作用。文章進(jìn)一步評(píng)估了多種新理論，包括表觀HBE、雙功能 OH? 吸附機(jī)制、零電荷電位效應(yīng)、堿金屬陽離子2B理論以及氫鍵網(wǎng)絡(luò)連通性，并強(qiáng)調(diào)目前尚無單一模型能夠完整描述HOR行為。

文中提出了一套嚴(yán)格的電化學(xué)性能評(píng)估規(guī)范，用于解決測(cè)試過程中鎳易氧化帶來的可靠性問題。標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)包括動(dòng)力學(xué)電流密度、交換電流密度、電化學(xué)活性表面積、質(zhì)量活性、峰值功率密度、CO 耐受性和耐久性，以實(shí)現(xiàn)公平比較。文章匯編了目前最為完整的鎳基 HOR 性能數(shù)據(jù)，涵蓋鎳合金、氮化物、硼化物、氧化物、核殼結(jié)構(gòu)、摻雜納米材料以及復(fù)合載體體系。

研究亮點(diǎn)包括NiCu合金、具有優(yōu)化HBE/OHBE 的 MoNi? 催化劑、Ni?N 納米顆粒、Ni–Mo–Nb 三元金屬玻璃，以及引入Fe、Co、W、Cu進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)調(diào)控的多元合金體系。部分體系在堿性 HOR 質(zhì)量活性方面接近甚至超過鉑，同時(shí)保持了良好的抗CO中毒能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

作者指出：

“我們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到，鎳不僅僅是更廉價(jià)的替代材料，而是一個(gè)可調(diào)控的催化平臺(tái)。通過將反應(yīng)機(jī)理理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以調(diào)控氫和氫氧根的吸附行為，在堿性條件下穩(wěn)定催化劑表面，并指導(dǎo)理性催化劑篩選。未來研究應(yīng)結(jié)合原位光譜技術(shù)、先進(jìn)計(jì)算模擬和標(biāo)準(zhǔn)化性能評(píng)估流程，以加速實(shí)驗(yàn)室催化劑向?qū)嶋H燃料電池器件的轉(zhuǎn)化?！?/p>

應(yīng)用前景：

鎳基催化劑為低成本氫能技術(shù)提供了一條現(xiàn)實(shí)可行的路徑，尤其適用于貴金屬限制規(guī)?；瘧?yīng)用的場(chǎng)景。

該綜述提出的路線圖可為以下方向提供參考：

• AEMFC陽極HOR催化劑
• 氫氣純化系統(tǒng)
• 新一代儲(chǔ)能技術(shù)

隨著通過合金工程、缺陷調(diào)控和界面控制不斷提升活性和耐久性，鎳基材料有望支持燃料電池在交通運(yùn)輸、分布式發(fā)電和便攜式設(shè)備中的商業(yè)化應(yīng)用。

作者預(yù)計(jì)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行并滿足DOE目標(biāo)，將使鎳基催化劑成為可持續(xù)氫能體系的重要組成部分。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667141725000308

（素材來自：華中科技大學(xué) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）