氫燃料電池生產成本總是居高不下？
其中一個重要原因是：鉑催化劑成本太高。
那有沒有可能，找到一種材料，廉價高效又穩定，從而完全擺脫對鉑的依賴呢？
近日發表在Nature子刊上的一篇論文，宣布了一個重大進展：
基於氫氧化物交換膜燃料電池，合成了一種新型鎳催化劑——Ni-H₂-NH3，用於電池陽極進行氫氧化反應，可以大大提高效率。
研究顯示，電池的峰值功率密度可達到450mW/cm²，在這之前最好成績是76mW/cm²，相比提升了近5倍。
研究者們，還是清一色中國面孔。
新型鎳催化劑？
什麼是氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFC）？
是一種鹼性燃料電池（AFC），可在陽極使用非貴金屬催化劑，所以製造成本低。
但並不是當今氫燃料電池車的商業首選。
質子交換膜燃料電池（PEMFC）才是，比如豐田的Mirai車型就採用的這種。
為什麼呢？
主要原因在於——這種氫氧化物交換膜燃料電池，現有的陽極催化劑雖然不需要貴金屬鉑，但在催化活性上遠遠不能滿足需求。
這篇發表在Nature子刊上的論文，合成了一種新型鎳催化劑——Ni-H₂-NH3，比活性達到了70μA/cm²，在所有無鉑催化劑中排名第一。
然而在此之前，最好的鎳催化劑還不到40μA/cm²，差不多翻了一番。
比活性，指的是電化學表面積-歸一化交換電流密度，即單位催化劑表面積上通過的電流，可以用來判斷該催化劑的催化活性如何。
那麼，這個催化劑為啥活性這麼高？
首先，在390℃的混合氣體（H₂/NH3/N2）中，熱解鎳基的金屬有機骨架，得到催化劑Ni-H₂-NH3。
該催化劑由氮摻雜碳基的鎳納米顆粒組成。
值得注意的是，兩年前作者也合成了類似的鎳催化劑——Ni-H₂-2%，不過是在N2和H₂的混合氣體中熱解而得，沒有NH3。
一般情況下，降低金屬鎳的氫結合能（HBE），就能增加該催化劑的氫氧化反應活性。
該催化劑的鎳納米顆粒和碳載體上，電子間進行相互作用，從而使得氫結合能達到最理想值。
此外，降低氫氧化物結合能（OHBE）也能增加反應活性，但不是主導因素。
除了從熱力學方面進行思考，過渡態勢壘、界面電場、溶劑動力學這些因素也會影響到催化劑的反應活性。
有了這個催化劑，電池性能如何？
既然它催化活性這麼高，氫氧化物交換膜燃料電池表現如何呢？
首先來看電池的峰值功率密度（PDD）。
說個直觀的數據，如果是用鉑作為陽極催化劑，電池的峰值功率密度可超過1300mW/cm²，但是在此之前，用上性能最好的無鉑催化劑，峰值功率密度卻只有76mW/cm²。
差距不是一點點大。
這篇論文報道的新型鎳催化劑，陰極同樣使用無鉑催化劑的情況下，可以讓電池的峰值功率密度達到450mW/cm²，相比原來提升了近5倍。
美國能源部（DOE）給它設立的目標就是——2030年電池峰值功率密度達到600mW/cm²，終極目標是超過1000mW/cm²。
距離目標越來越近了。
需要補充的是，當陰極使用鉑金屬催化劑時，電池的峰值功率密度能達到628mW/cm²。
接下來看電池的耐久性如何。
在95℃的溫度下，0.7V恆定電壓，該電池在40小時后電流密度僅僅只下降了7%，證明這款新型鎳催化劑在高溫和強電流下，化學穩定性非常好。
以上種種說明，對於氫氧化物交換膜燃料電池來說，就算沒有貴金屬鉑作為陽極催化劑，照樣可以很高效穩定。
最重要的一點，如果催化活性提升上去了，將來就可以完全取代鉑，從而大幅降低生產成本，向大規模商業化邁進。
相比貴金屬鉑，鎳儲量這麼豐富，難道不香嗎？
風水輪流轉，或許不久的將來，質子交換膜燃料電池就要被趕下台了。
論文研究團隊介紹
一作是倪偉焱和王騰。
倪偉焱，高中畢業於九江市一中，2015年本科畢業於南開大學化學學院。
2015年~2021年，在洛桑聯邦理工學院取得化學碩士和博士學位，且博士就讀期間，師從胡喜樂教授。
目前在多倫多大學念博士后，受到來自瑞士國家科學基金會（Swiss National Science Foundation, SNSF）的基金資助。
據公開資料顯示，倪偉焱已發表12篇學術論文，最近的一篇論文，標題為《用於氫氧化反應的協同Pt-Ru-氮摻雜碳催化劑實現的低鉑族金屬負載氫氧化物交換膜燃料電池》。
王騰，高中畢業於新疆烏魯木齊市第一中學，2013年本科畢業於北京大學化學與分子工程學院材料化學專業。
2013年~2018年期間，博士就讀於北京大學無機化學專業，在這期間，他在北京大學新能源與納米材料實驗室，師從李星國教授和鄭捷教授。
該實驗室的研究領域之一就是水分解和燃料電池電催化劑（氫析出、氧析出反應催化劑）。
目前，王騰正在特拉華大學念博士后。
本文的通訊作者是胡喜樂和嚴玉山。
胡喜樂，是瑞士洛桑聯邦理工學院化學科學與工程學院化學系教授，有機化學家。
2000年，本科畢業於北京大學化學系，2000年~2004年期間，碩士和博士相繼畢業於加利福尼亞大學化學系。
2005年~2007年，在加州理工學院念博士后。2007年~2012年，在洛桑聯邦理工學院化學系擔任助理教授，2013~2016年，擔任該化學系副教授，2016年至今，擔任教授。
胡喜樂教授小組主要研究目標是開發富含地球的元素製成的催化劑，將其用於與合成、能源和可持續性發展相關的化學轉化。
嚴玉山，來自中國吉林，現為特拉華大學化學與生物分子工程系主任，國際著名的分子篩膜專家，近日當選為美國國家工程院院士。
1988年獲中國科學技術大學學士學位，1995年獲美國加州理工學院工學碩士學位，1997年6月獲美國加州理工學院化工系工學博士學位。
1996年至1998年任美國AlliedSignal公司Senior Staff Engineer和Project Leader。
1998年9月開始在美國加州大學河濱分校化學工程與環境工程系工作，任助理教。2002年7月任副教授，2005年7月晉陞為教授。
2006年被美國加州大學授予大學學者（University Scholar）稱號。2010年獲得國際分子篩協會授予的唐納德布瑞克獎。此外，其在燃料電池（膜與催化）領域也做了很多創新性研究，並獲得美國能源部高級能源研究計劃署OPEN 2009和OPEN 2012。