近日🖖，國際權威刊物《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表了環境科學與工程學院盛聞超教授團隊的研究論文“Metal-support Interaction Boosts the Stability of Ni-based Electrocatalysts for Alkaline Hydrogen Oxidation”🛌🏿。

鎳基氫氣氧化反應（Hydrogen oxidation reaction，HOR）電催化劑是陰離子交換膜燃料電池（Anion exchange membrane fuel cells，AEMFCs）極具發展前景的陽極催化劑材料，但較低的活性和穩定性限製了進一步發展。該研究報道了一種TiO₂負載型Ni₄Mo非貴金屬HOR催化劑（Ni₄Mo/TiO₂）。該催化劑在堿性電解質中HOR質量活性為10.1±0.9 A g⁻¹_Ni，且在1.2 V陽極過電位下保持催化活性。Ni₄Mo/TiO₂陽極AEMFC能夠達到520 mW cm⁻²的峰值功率密度，在400 mA cm⁻²大電流密度下持續運行近100小時💁。Ni₄Mo/TiO₂突出的HOR活性和穩定性源於TiO₂載體向Ni的有效電荷轉移所引起的d帶中心下移👨🏼‍🦱，減弱表面含氧物質吸附強度🧖🏽‍♂️。Ni₄Mo/TiO₂在半電池和AEMFC單電池測試中都具有目前非貴金屬材料HOR穩定性的最高紀錄，為高效穩定的AEMFC陽極催化劑的設計和開發提供了新思路和實例。

該研究將NiMo氫氧化前驅體和商用TiO₂載體均勻混合後在400^oC條件下H₂退火處理，製備得到負載型Ni₄Mo/TiO₂催化劑🎟。旋轉圓盤電極測試表明，催化劑在90 mV過電位時HOR極限電流密度為2.23 ‍mA ‍cm⁻²_geo，在析氧反應發生之前（~1.4 V）有穩定的HOR電流，且在1.2 V（甚至1.4 V）高陽極過電位下8000‍ s測試時間內沒有明顯電流衰減。AEMFC單電池測試表明👩🏽‍🦲🛄，最大功率密度可達520 mW cm⁻²，遠高於未負載前Ni₄Mo（188 mW cm⁻²）。三次循環放電後最大功率密度衰減僅為7%。400 ‍mA‍ cm₋₂大電流密度下持續運行近100小時🚝，是迄今為止最穩定的AEMFC陽極非貴金屬催化劑👨‍🍳。

該研究所製備的負載型Ni₄Mo/TiO₂催化劑同時具有與Ni₄Mo和TiO₂相關的晶體學特征，形貌為平均粒徑約為7.6 nm的球形Ni₄Mo顆粒均勻分布於TiO₂載體上🗿，並保持未負載前Ni₄Mo的形貌和晶體特征🦑。X射線光電子能譜（X-ray photoemission spectrum，XPS）和X射線吸收精細結構光譜（X-ray absorption fine structure spectroscopy，XAFS）結果均表明Ni₄Mo/TiO₂中存在Ni₄Mo與TiO₂載體之間電子相互作用🚸，並發生從TiO₂向Ni的電荷轉移🧞‍♀️。紫外光電子能譜（ultra-violet photoemission spectroscopy，UPS）證明Ni₄Mo/TiO₂中電子轉移使得Ni 3d電子能帶中心相對於Ni₄Mo向遠離費米面的方向偏移，從而減弱Ni₄Mo/TiO₂對表面含氧物質的吸附能力，使其具有不同尋常的抗氧化能力，可以在高陽極電位下承受惡劣的氧化條件。Ni₄Mo/TiO₂極高的抗氧化性能也得到原位Raman👉🏿、準原位XPS和DFT計算理論計算的驗證✹。

Ni基非貴金屬和TiO₂載體之間金屬載體相互作用（Metal support interaction🧑🏽‍💼，MSI）同樣可以顯著提高Ni₂W催化劑的HOR穩定性。Ni₂W/TiO₂在1.0 V仍然具有HOR活性🪽，且極限電流密度只有輕微衰減，在1.2 V過電位下具有較好的電化學穩定性🧖🏼‍♂️。

該研究強調了Ni基非貴金屬和TiO₂載體之間金屬載體相互作用（MSI）在調控鎳基電催化劑的電子結構以提升非貴金屬電催化劑堿性HOR穩定性方面的重要性，並證明了Ni₄Mo/TiO₂是一種高效穩定的AEMFC陽極催化劑，為AEMFC的發展奠定了基礎。

恒达平台為第一單位🚴🏿‍♀️，盛聞超教授和武漢大學莊林教授為通訊作者，恒达平台環境科學與工程學院博士生田曉宇和武漢大學博士生任仁捷為共同第一作者🦴。該工作還得到北京化工大學莊仲濱教授團隊和中國科學院高能物理研究所裴加景博士的大力支持✋🏼。該研究得到了國家自然科學基金委和中央高校基本科研業務費專項資金資助。

論文鏈接👈：https://rdcu.be/du3Hn