华中科技大学：镍基催化剂如何解锁更低成本的氢燃料电池

氢燃料电池在发电过程中仅以水作为副产物，是未来实现净零能源系统的核心技术之一。传统质子交换膜燃料电池依赖铂基催化剂，这带来了成本和耐久性方面的障碍。碱性阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）允许使用更廉价的非贵金属催化剂，但在碱性介质中，氢氧化反应（HOR）的动力学速率比酸性条件下慢2至3个数量级，限制了其性能。镍因其资源丰富且电子结构与铂相似，被认为是最具吸引力的替代材料，但仍存在氢吸附过强和表面易氧化的问题。基于这些挑战，推进镍基HOR催化剂的发展仍需要更深入的机理理解和材料设计策略。

来自华中科技大学及其合作机构的研究人员于2025年9月在eScience期刊发表了一篇综合性综述论文：DOI：10.1016/j.esci.2025.100400

该综述系统总结了碱性HOR条件下镍基非贵金属电催化剂的研究进展，整合了：

• 催化机理理论
• 性能评价标准
• 结构设计策略

并提出了用于材料开发的元素导航图。

通过比较已报道的催化剂、测试流程和活性基准，阐明了理性设计如何加速镍基催化剂走向实际燃料电池应用。

该综述首先解析了涉及Tafel、Volmer和Heyrovsky步骤的反应路径，阐述了氢结合能（HBE）和氢氧根结合能（OHBE）对催化速率的控制作用。文章进一步评估了多种新理论，包括表观HBE、双功能 OH⁻ 吸附机制、零电荷电位效应、碱金属阳离子2B理论以及氢键网络连通性，并强调目前尚无单一模型能够完整描述HOR行为。

文中提出了一套严格的电化学性能评估规范，用于解决测试过程中镍易氧化带来的可靠性问题。标准化参数包括动力学电流密度、交换电流密度、电化学活性表面积、质量活性、峰值功率密度、CO 耐受性和耐久性，以实现公平比较。文章汇编了目前最为完整的镍基 HOR 性能数据，涵盖镍合金、氮化物、硼化物、氧化物、核壳结构、掺杂纳米材料以及复合载体体系。

研究亮点包括NiCu合金、具有优化HBE/OHBE 的 MoNi₄ 催化剂、Ni₃N 纳米颗粒、Ni–Mo–Nb 三元金属玻璃，以及引入Fe、Co、W、Cu进行电子结构调控的多元合金体系。部分体系在碱性 HOR 质量活性方面接近甚至超过铂，同时保持了良好的抗CO中毒能力和结构稳定性。

作者指出：

“我们现在认识到，镍不仅仅是更廉价的替代材料，而是一个可调控的催化平台。通过将反应机理理论与结构设计相结合，可以调控氢和氢氧根的吸附行为，在碱性条件下稳定催化剂表面，并指导理性催化剂筛选。未来研究应结合原位光谱技术、先进计算模拟和标准化性能评估流程，以加速实验室催化剂向实际燃料电池器件的转化。”

应用前景：

镍基催化剂为低成本氢能技术提供了一条现实可行的路径，尤其适用于贵金属限制规模化应用的场景。

该综述提出的路线图可为以下方向提供参考：

• AEMFC阳极HOR催化剂
• 氢气纯化系统
• 新一代储能技术

随着通过合金工程、缺陷调控和界面控制不断提升活性和耐久性，镍基材料有望支持燃料电池在交通运输、分布式发电和便携式设备中的商业化应用。

作者预计，实现长期稳定运行并满足DOE目标，将使镍基催化剂成为可持续氢能体系的重要组成部分。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667141725000308

（素材来自：华中科技大学 全球氢能网、新能源网综合）