储氢/催化双功能电极在直接硼氢化钠燃料电池中的应用

Direct borohydride fuel cells (DBFCs) have very high theoretical energy density. However, the borohydride oxidation reaction (BOR) is usually accompanied by H2 formation, which significantly reduces the energy efficiency of DBFCs. Because both BOR and H2 formation have the same intermediate: the surface adsorbed H, catalysts based on pure surface process are difficult to achieve high BOR activity and low H2 formation rate simultaneous. To solve this paradox, this project proposes a hydrogen storage/catalysis bifunctional electrode, which combines the hydrogen storage properties of rare earth hydrogen storage materials and the catalytic properties of noble metals . High BOR activity can still be maintained while formation of H2 is effectively inhibited by the hydrogen storage properties, which may improve the energy efficiency of DBFCs. This project will study the hydrogen absorption/desorption during the electrochemical processes in situ by monitoring the optical absorbance of the electrode, providing key insights into the interconversion mechanisms of the hydrogen species. The interconversion mechanism can be more profoundly understood from an energetic perspective using the hydrogen chemical potential concept. This project provides new insights into new BOR catalysts which may lead to more efficient DBFCs. It will also open a new application field for rare earth hydrogen storage materials, which is beneficial for more balanced, value added utilization of the rare earth resources.

直接硼氢化物燃料电池（DBFC）是具有很高的理论能量密度，但是BH4-电化学氧化（BOR）过程中伴随H2生成的副反应，严重降低了DBFC的能量效率。由于BOR和H2生成都涉及表面吸附态氢，单纯的表面催化反应难以在实现高BOR催化活性的同时有效抑制H2生成。本项目将结合稀土储氢材料的储氢功能和贵金属的高BOR催化活性，构建储氢/催化双功能电极，在保持高BOR催化活性的同时利用储氢性能抑制BOR过程中H2的生成，从而提高DBFC的能量效率。项目利用稀土储氢材料吸放氢过程中吸收光谱的变化，对电化学过程中电极的吸放氢过程进行原位表征，阐明储氢材料在BOR过程中的一些基本问题，并利用氢化学势的概念从能量角度描述氢物种相互转化的规律。项目的开展为进一步提高DBFC的性能提供了新的思路，对于探索稀土储氢材料的新用途，促进稀土资源均衡高效利用也有非常积极的作用。

直接硼氢化物燃料电池（DBFC）具有很高的理论能量密度，但是BH4-的电化学氧化（BOR）过程中H2产生的副反应严重降低了其能量效率，本项目结合稀土储氢材料的储氢功能和的贵金属的高BOR催化活性，构建储氢/催化（MH/Cat）双功能电极，在保持高BOR催化活性的同时抑制BOR过程中H2生成的副反应，从而提高DBFC的能量效率。.本项目开展了MH/Cat双功能材料的设计和制备，MH/Cat双功能电极与水溶液电化学过程中氢中间体的相互作用，MH/Cat双功能电极的在水溶液电化学中的应用以及通用的储氢催化反应等研究，取得以下主要进展：(A) 发展了磁控溅射法、金属有机前驱体法、熔盐钙热还原法等一系列MH/Cat的创新合成方法，克服了稀土元素水氧敏感性高的合成挑战，实现了对基于稀土储氢材料的MH/Cat的可控制备。(B) 利用MH/Cat电极实现了高效、低析氢副反应的BOR，大幅提高了直接硼氢化钠燃料电池的能效。结合原位的电化学光谱、质谱表征，系统阐明了MH/Cat电极与水溶液中电化学产生的氢中间体的相互作用。(C) 基于MH/Cat对水溶液电化学氢中间体的调控作用，利用稀土储氢材料实现了热电联用高能效水分解制氢、提高铝空气电池能效等新应用。(D) 提出并完善了“储氢催化”的思想，将储氢的内涵从对氢气的存储拓展至对化学反应氢中间体的调控，实现了一系列重要且具有代表性的储氢催化反应，并建立了储氢催化和传统储氢的关联。.本项目的最大创新点是提出了利用储氢性能调控化学反应氢中间体的“储氢催化”的思想，不仅成功解决了BH4-电化学氧化析氢副反应问题，为高能效的直接硼氢化钠燃料电池的开发提供了新的方案；并且建立了储氢和化学中氢的普遍联系，对氢化学的发展和储氢材料新功能的开拓都具有重要价值。