在该研究中，研究职员用钌（Ru）取代个中的部分锰（Mn）原子，设计出新型无铂催化剂 Li2Mn0.85Ru0.15O3，并展示出具有运用潜力的燃料电池性能。
详细来说，在阴离子交流膜燃料电池中，功率密度达到 1.2W cm-2，和商业化的铂碳（Pt/C）催化剂性能相称。
并且，在 1.9V 电压条件下，水电解槽实现了 1.2A cm-2 的高电流密度。
富锂层状氧化物是一个非常弘大的材料体系，因此，该研究对付设计高性能、低本钱氧化物催化剂具有借鉴意义。
此外，该研究为燃料电池非铂催化剂的发展，供应了一种新的思路。
燃料电池：氢能发展的主要运用处景
基于国家提出的“双碳”目标和《氢能家当发展中长期方案（2021-2035 年）》（以下简称《方案》），氢燃料电池既是未来能源脱碳的主要方向，也是氢能发展的主要运用处景。
根据《方案》，“到 2025 年，基本节制核心技能和制造工艺，燃料电池车辆保有量约 5 万辆，支配培植一批加氢站，可再生能源制氢量达到 10 万-20 万吨/年，实现二氧化碳减排 100 万-200 万吨/年”。
燃料电池是氢能运用的关键场景之一，它利用化学反应将氢气和氧气中的化学能转换为电能。
聚合物电解质燃料电池常日包括：质子交流膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）和阴离子交流膜燃料电池（Anion Exchange Membrane Fuel Cell，AEMFC）。
PEM 燃料电池的造价是内燃机的十几倍，由于其内部的强酸性事情环境，严重依赖铂催化剂。
与 PEM 燃料电池比较，AEM 燃料电池可以采取非贵金属材料催化剂和更经济的膜，从而能够极大程度地降落本钱。但目前，聚合物电解质隔膜和阴阳两极的催化剂存在诸多难题。
氢燃料电池须要大量的铂基催化剂，来催化氧还原反应。当下，在 AEM 燃料电池中，性能最精良的仍旧是铂族金属。
例如，铂钌碳（PtRu/C）作为阳极催化剂，以及铂碳（Pt/C）作为阴极催化剂的 AEM 燃料电池。
但是，铂族金属始终面临资源稀缺、价格昂贵的局限性，因此，开拓能够更加广泛运用的非铂催化剂迫不及待。
总体来说，AEM 燃料电池非铂催化剂的设计紧张存在以下三个难点：
第一，如何最大程度地发掘非铂材料的性能，让非铂催化剂在长期事情中，保持良好的活性和稳定性。
第二，催化剂在半电池和全电池中的评价标准，存在着较大的差异。因此，如何把半电池（旋转圆盘电极）中的性能，很好地过渡到全电池（燃料电池）中，是办理问题的关键。
第三，能否在合成方法上采取大略、随意马虎批量生产的方法，对付后续的实际运器具有主要的现实意义。
兼具高稳定性和高活性的新型无铂催化剂
同济大学马吉伟教授课题组的研究方向，紧张聚焦于毛病化学和界面催化的根本科学问题。
2021 年，他们基于毛病调控，对离子交流的浸染进行研究。通过采取质子交流策略，对锰基氧化物质料的不稳定氧（O 2p）空穴以及层间距进行调度，进而构筑了 P3 型的 Li2-xHxMnO3-n 材料[2]。
同时，将 Li2-xHxMnO3-n 运用于无膜微流体燃料电池中，并进行观点验证，证明了该方法可以广泛地运用于包含碱金属的过渡金属氧化物。
以调控富锂锰基氧化物不稳定氧空穴研究为根本，研究职员在本次研究中，进一步延续和加深了干系探索。
图丨马吉伟课题组（来源：马吉伟）
该研究历时共四年多的韶光，包括从材料筛选、优化调度身分、半电池和全电池的参数，再到末了论文审稿和吸收的不同阶段。
在研究初期，该团队将设计定位在锰基层状氧化物质料，例如层状二氧化锰。在后来经由永劫光的摸索后，他们创造，富锂的锰基氧化物比层状二氧化锰表现出更佳的稳定性。
研究职员在催化剂的合成方法和材料筛选方面，都进行了大量试验，合成并测试了多种锰基和其他金属基的化合物，终极筛选出富锂层状氧化物。
图丨所制备的 Li2Mn0.85Ru0.15O3 的构造表征（来源：Nature Catalysis）
须要理解的是，催化剂在半电池和全电池中的评价标准，存在着较大的差异。
详细来说，在半电池中，旋转圆盘电极是实验室研究中筛选催化剂活性和稳定性的常用方法。但是，由于氧气在电解质中溶解度较差，旋转圆盘电极测试中的电流密度较低。
而燃料电池对电流密度的哀求较高，半电池中表现出高活性的材料，每每不能很好地反应到器件中。以是，在燃料电池测试中，须要优化全电池测试的各项参数。
该课题组以富锂锰基氧化物作为示范，通过引入 4d 金属钌（Ru）调节新型非铂催化剂 Li2Mn1−xRuxO3 的轨道杂化，以调度这种催化剂的氧吸附强度，并稳定催化位点。
马吉伟表示：“为稳定 O 2p 空穴，我们调控金属-氧（M-O）共价性，用这种方法办理富锂锰基材料构造不稳定性的问题。”
在该研究中，研究职员展示了该催化剂精良的氧还原性能。并且，在析氧反应中，表现出优于镍铁层状双氢氧化物和二氧化钌（RuO2）的性能。
详细来说，在 AEM 燃料电池中，功率密度达到 1.2W cm-2，和商业化的 Pt/C 催化剂性能相称，并在 1.9V 电压下，水电解槽实现了 1.2A cm-2 的电流密度。
须要理解的是，目前在该领域内，仅小部分催化剂在 AEM 燃料电池测试中，表现出超过 1W cm-2 的峰值功率密度。
根据 2023 年一篇揭橥在 Applied Catalysis B: Environmental 的综述论文，在两百余种催化剂中，峰值功率密度超过 0.5W cm-2 的有 29 种，而峰值功率密度超过 1W cm-2 的仅有 13 种[3]。
图丨利用 Li2Mn0.85Ru0.15O3 作为阴极的 AEM 燃料电池性能（来源：Nature Catalysis）
研究职员利用原位 X 射线接管谱，对氧还原反应过程进行详细解析，并供应 “Mn 和 Ru 都是氧还原反应直接活性位点”的原位谱学证据。
此外，他们还深入磋商了富锂层状氧化物在燃料电池领域的运用前景。
实际上，传统合成催化剂的方法非常多，但是繁芜且不易批量生产。在合成方法上，该团队在很长一段韶光内，考试测验开拓和探索大略、可批量制备的合成方法。
马吉伟表示：“我们实现催化剂的可控批量制备，在实验室条件下达到克级以上，并且具备可重复的性能。”
审稿人对该研究评价称，这项研究的实验数据非常有说服力。该材料在氧气还原和氧气析出方面，表现出良好的活性和稳定性，扩大了可用于阴离子交流膜燃料电池和水电解器件的材料类型。
近日，干系论文以《阴离子交流膜燃料电池和水电解器层状富锂锰基氧化物的稳定性》（Stabilization of layered lithium-rich manganese oxide for anion exchange membrane fuel cells and water electrolysers）为题揭橥在 Nature Catalysis 上[1]。
同济大学钟雪鹏博士、隋丽君博士和特聘研究员杨孟昊为共同第一作者。
同济大学马吉伟教授、德国柏林工业大学彼得·斯特拉瑟（Peter Strasser）教授和德国马克思·普朗克固体化学物理学研究所胡志伟教授担当共同通讯作者。
图丨干系论文（来源：Nature Catalysis）
实验室制备催化剂每克本钱在百元内
高性能非铂催化材料的可控合成、构效关系以及实际运用研究，是一项兼具极大科学代价和社会代价的研究课题。
基于研究团队对合成原材料的价格、设备和耗材用度的综合预估，他们认为，实验室制备该催化剂每克本钱在百元以内。
该研究有利于推动 AEM 燃料电池非铂催化剂的发展，为未来非铂催化剂可以完备替代铂基催化剂，并实现燃料电池的大规模商业化，供应了一种新的思路。
目前，该课题组与宝钢股份互助，正在从实验室走向家当化放大，发展成熟的非铂催化剂制造工艺与关键装备，以提高合成效率和产品同等性。
马吉伟表示：“新型催化剂的设计迈出了燃料电池走向无铂催化剂的第一步，但是，我们也必须看到，它间隔实际运用还有一定的间隔。”
后续，他们操持研发燃料电池关键材料的低本钱替代物，进一步在材料设计、高通量筛选和燃料电池器件方面进行优化。
根本研究的课题选择与面向运用的技能息息相关。马吉伟认为，他更方向于那些根本科学问题、研究方法和技能的研究，并会考试测验推动发展面向运用的根本研究和关键技能。
“未来，我和团队希望推动车用燃料电池非贵金属催化剂的发展，该方向对降落燃料电池本钱和推动规模化运用，具有主要的意义。”他说。
参考资料：
1.Zhong, X., Sui, L., Yang, M. et al. Stabilization of layered lithium-rich manganese oxide for anion exchange membrane fuel cells and water electrolysers. Nature Catalysis (2024). https://doi.org/10.1038/s41929-024-01136-1
2.Zhong, X., Oubla, M., Wang, X. et al. Boosting oxygen reduction activity and enhancing stability through structural transformation of layered lithium manganese oxide. Nature Communications 12, 3136 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23430-3
3.Md. Mosaddek Hossen et al., State-of-the-art and developmental trends in platinum group metal-free cathode catalyst for anion exchange membrane fuel cell (AEMFC). Applied Catalysis B: Environmental 325, 121733 (2023).https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121733
排版：刘雅坤
