近日，我院黄小青教授、陈南君教授团队在碱性膜燃料电池（AEMFC）电堆催化剂研究方面取得重要进展，成功开发可规模化应用的碱性氢氧化催化剂，并组装了75瓦级AEMFC电堆。相关成果以“Scalable Zn Single Atom-Gluing Ru for 75 W Scale Alkaline Membrane Fuel Cell Stacks”为题发表于 Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.5c22364）。
阴离子交换膜燃料电池作为下一代低成本氢能转换技术，具有广阔应用前景。然而，碱性介质中氢氧化反应（HOR）动力学缓慢，且当前单电池研究仍处于起步阶段，多数体系依赖高载量铂族金属催化剂，成本高昂。钌（Ru）因其适宜的结合能、亲氧性和低成本（约为Pt的1/4）而备受关注，但Ru基催化剂在放大制备和电堆集成方面尚未见报道，且其HOR活性、稳定性和抗CO毒化能力仍需大幅提升。
针对上述挑战，黄小青/陈南君团队提出了一种锌单原子“胶粘”策略，将Ru纳米颗粒胶粘在Zn-N-C载体上（Ru@Zn-N-C）。该载体中Zn以单原子形式存在，通过Ru-Zn-N界面键合作用稳定Ru纳米颗粒，同时显著增强H₂吸附并弱化CO吸附。该合成方法简便易放大，已实现10克级规模制备。在超低Ru载量（0.05 mg cm-2）下，基于Ru@Zn-N-C的AEMFC单电池在H2-O2条件下峰值功率密度（PPD）高达2.10 W cm-2，在H2-air条件达1.51 W cm-2；阳极比功率达到破纪录的42 W mgRu−1。在H2-air条件下，额定功率密度（0.65 V）为1.24 W cm-2，已满足美国能源部（DOE）2025年目标（1 W cm-2，总PGM载量≤0.125 mg cm-2）。同时，该电池可在1 A cm-2工业级电流密度下稳定运行超过200小时，性能衰减极小。基于上述高性能催化剂，团队进一步开发了有效面积为40 cm-2的三电池AEMFC堆。在H2-O2条件下，堆输出功率高达75 W（@50 A）；在H2-air条件下输出功率为42 W。经测算，该堆的Ru用量可支持一辆100 kW燃料电池车仅需8克Ru，对应成本约1美元/千瓦，已超越美国DOE面向城市交通的终极目标（0.1 gPt kW-1，约4.5美元/千瓦）。
该研究工作由我院黄小青教授、陈南君教授共同指导，第一作者为郑祯颖（硕士生）。该论文得到国家重点研发计划（2024YFA1509500、2022YFA1504500）、国家自然科学基金（22475181、22025108、U21A20327、22121001、224B2508）、厦门市自然科学基金（3502Z202473002）、福建省科技计划项目（2024H0001）、中央高校基本科研业务费（20720240059、20720240053）以及厦门大学启动经费的支持，并得到了表界面化学全国重点实验室和嘉庚创新实验室的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c22364
