硼掺杂诱导d-p轨道杂化调节镍电子结构实现高效催化碱性氢氧化反应

• Published in: 催化学报 Vol. 43; no. 6; pp. 1527 - 1534
• Main Authors: 韩鹏宇, 姚娜, 左为, 罗威
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072%武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072 2022; 武汉大学苏州研究院,江苏苏州215123
• Subjects: 氢气氧化反应; 硼掺杂; 密度泛函理论; d-p hybridization; Hydrogen evolution reaction; Density functional theory; Hydrogen oxidation reaction; 氢气析出反应; Boron doping; d-p杂化
• ISSN: 0253-9837
• DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63955-4

与质子交换膜燃料电池相比,碱性交换膜燃料电池(AEMFC)能够同时在阳极和阴极使用非贵金属,从而显著降低燃料电池的成本.目前,在阴极氧还原反应(ORR)已经开发出可以媲美Pt/C的非贵金属催化剂,而阳极氢氧化反应(HOR)最有希望的非贵金属催化剂仅限于镍基催化剂,且其催化性能却远落后于铂基电催化剂.因此,开发高效、稳定的碱性HOR镍基催化剂对于推动AEMFC的实际应用具有重要意义.本文通过对负载在XC-72上的无定型硼化镍(NiB/C)进行煅烧,得到了硼掺杂的镍(B-Ni/C).粉末X射线晶体衍射结果表明,煅烧后催化剂的晶体形式为fcc相的Ni.透射电子显微镜结果表明,催化剂呈分散的纳米颗粒状态,能量色散光谱图也证明了Ni、B元素均匀分布于C上.在0.1mol/L KOH条件下进行HOR活性测试,B-Ni/C样品的比面积交换电流密度和在50 mV过电位下的比质量交换电流密度分别为0.035 mA cmNi-2和27.95 mA mgNi-1,与未掺杂硼的镍碳(Ni/C)催化剂相比,其质量活性提高了 10倍.在加速耐久性测试中,B-Ni/C催化剂在氩气中1000圈电位循环后仍具有一定的氢氧化活性,表明其具有较好的抗氧化稳定性.在含有万分之一浓度CO的H2中进行长时间计时电流法测试结果表明,相比于Pt/C,NiB/C活性仅有轻微损失,表现出出色的抗CO能力.此外B-Ni/C在1 mol/L KOH条件下也具有较好的HER性能,仅需128 mV的过电位就可以达到10 mA cm-2的电流密度.实验和密度泛函理论计算表明,B掺杂后,B的p轨道和Ni的d轨道之间会形成d-p杂化,从而促进Ni表面对OH的吸附,同时优化了其表面的氢结合能,降低了水物种的形成能,有助于提高碱性条件下的HOR性能.综上,本文通过简单方法设计了一种杂原子掺杂的镍基催化剂,其表现出较好的氢氧化活性,为开发低成本、高效的非铂碱性HOR催化剂提供了新的视角.