【摘 要】
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阴离子交换膜燃料电池（Anion Exchange Membrane Fuel Cells,AEMFCs）以氢气为燃料,实现氢能到电能的转换,有助于缓解甚至减少温室气体的排放。受益于AEMFCs内部的碱性运行环境,非铂族贵金属电催化剂可以应用于AEMFCs的阴阳极两侧。然而,阳极侧的碱性氢氧化反应（Hydrogen Oxidation Reaction,HOR）动力学相对缓慢,成为了限制AEMFC
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阴离子交换膜燃料电池（Anion Exchange Membrane Fuel Cells,AEMFCs）以氢气为燃料,实现氢能到电能的转换,有助于缓解甚至减少温室气体的排放。受益于AEMFCs内部的碱性运行环境,非铂族贵金属电催化剂可以应用于AEMFCs的阴阳极两侧。然而,阳极侧的碱性氢氧化反应（Hydrogen Oxidation Reaction,HOR）动力学相对缓慢,成为了限制AEMFCs商业发展的因素之一。因此,开发高性能、低成本的非铂族贵金属电催化剂迫在眉睫。目前主要研究的非铂族贵金属碱性HOR电催化剂以Ni为基础,本论文围绕Ni研究制备了三种不同类型的碱性HOR电催化剂,主要内容如下:（1）以N,N-二甲基甲酰胺（Dimethylformamide,DMF）为溶剂,使用溶剂热方法制备了含Ni纳米晶体,随后在H2/Ar混合气氛中对纳米晶体进行热处理,制备出活性良好的单金属Ni电催化剂Ni-C-500。其面积比活性为0.047 m A cm-2disk,在目前先进的Ni基碱性HOR电催化剂中具有一定竞争力,并且在动态耐久性测试后面积比活性仅衰减24.7%。良好的性能来源于热处理产生的原位碳载体使电催化剂拥有高达12.2 m~2g Ni-1的电化学活性表面积（ECSA）。此外,Ni-C-500作为AEMFC阳极侧电催化剂时,使单电池成功放电,具备了工程化潜力。（2）在Ni-C-500的基础上,引入Fe3+对其前驱体进行修饰,随后进行相同条件的热处理,得到Ni Fe合金结构碱性HOR电催化剂。在相同测试条件下,Ni90Fe10-C-500的活性指标均超过Ni-C-500,其静态耐久性衰减度为26.0%,远低于Ni-C-500的47.6%。优异的性能来源于最优比例的Ni90Fe10合金结构产生的合金效应,改变了Ni的电子结构,调节了HBE和OHBE,进而加速了Volmer步骤,提升了碱性HOR活性。此外,Ni90Fe10-C-500作为AEMFC的阳极侧电催化剂时,其峰值功率密度为30.77 m W cm-2,是Ni-C-500作为阳极电催化剂时的1.47倍。（3）使用乙醇替代DMF实现了Ni-稀土氧化物异质结构电催化剂的绿色制备。其中,Ni7-（Ce O2）3/C-500的面积比活性达到0.057 m A cm-2disk,高于相同条件下合成的Ni-C-Et OH-500电催化剂、以及前述章节的Ni-C-500和Ni90Fe10-C-500电催化剂。较高的活性来源于Ce O2改变了电催化剂的电子结构,增强了OHBE,有助于吸附更多的OH物种,加速了Volmer步骤;同时,稀土元素的引入也调变了电催化剂的纳米尺寸,使电催化剂暴露了更多活性位点。
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