镍纳米管支撑普鲁士蓝类似物作为直接乙醇燃料电池双功能电极材料的创新研究

本研究针对直接乙醇燃料电池(DEFC)中贵金属催化剂成本高的问题，开发了镍纳米管支撑的普鲁士蓝类似物(NiHCF@NiNTs)双功能电极材料。通过原位电合成技术，该材料在碱性介质中表现出优异的乙醇氧化(EOR)和氧还原(ORR)性能，电流密度达500 mA·cm-2，且经600次循环保持稳定。热解制备的Ni@Ni-N/Fe-NC阴极材料ORR起始电位达0.9 V，为低温燃料电池提供了经济高效的解决方案。

　　

能源转换技术的革新一直是科研界关注的焦点，其中直接乙醇燃料电池(DEFC)因其燃料易获取、能量密度高等优势备受期待。然而，传统DEFC依赖昂贵的铂/钯基催化剂，且存在催化剂易中毒、稳定性差等瓶颈问题。更棘手的是，阳极的乙醇氧化反应(EOR)和阴极的氧还原反应(ORR)需要不同的催化材料，这大大增加了系统复杂性。面对这些挑战，伊朗科学技术大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向具有可调结构的普鲁士蓝类似物(PBAs)和导电性优异的镍纳米管，开发出能同时胜任阴阳极工作的双功能材料。这项突破性成果发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为低温燃料电池的发展提供了新思路。

研究采用三项核心技术：1）模板法电沉积制备镍铜合金纳米管阵列，通过选择性脱合金获得中空结构；2）循环伏安法原位沉积镍基普鲁士蓝(NiHCF)形成复合电极；3）三聚氰胺热解构建氮掺杂碳包覆的Ni-Fe₃C活性位点。通过系统优化制备参数，实现了材料结构与催化性能的精准调控。

【结果与讨论】
材料设计方面，三维纳米多孔镍泡沫作为基底，其开放孔道结构有效降低了传质阻力。电镜分析显示，直径约80 nm的镍纳米管呈有序阵列排布，表面均匀覆盖着立方体状NiHCF纳米颗粒。这种特殊结构使电极比表面积达到常规镍泡沫的15倍，为催化反应提供了充足活性位点。

电化学测试表明，NiHCF@NiNTs在1.0 M NaOH + 1.0 M EtOH电解液中，EOR起始电位低至0.35 V（vs Ag/AgCl），在0.99 V时电流密度高达500 mA·cm^-2。值得注意的是，经过600次循环后活性仅衰减7.2%，远优于文献报道的镍基催化剂。研究人员认为，Ni²⁺/Ni³⁺氧化还原对与[Fe(CN)₆]^3-的协同效应是性能提升的关键。

对于阴极材料Ni@Ni-N/Fe-NC，旋转圆盘电极测试显示其ORR反应遵循四电子路径，起始电位(E_onset)和半波电位(E_1/2)分别达到0.9 V和0.76 V（vs RHE），接近商业Pt/C催化剂水平。X射线光电子能谱证实，热解过程中形成的Fe-N₄配位结构和石墨氮物种是ORR活性中心。

【结论】
该研究开创性地将PBAs材料应用于DEFC双功能电极，通过精确控制纳米管阵列结构和金属配位环境，实现了非贵金属催化剂性能的突破。NiHCF@NiNTs阳极的卓越EOR活性和Ni@Ni-N/Fe-NC阴极的优异ORR性能，为开发低成本、高稳定性燃料电池提供了全新材料体系。特别值得关注的是，整个制备过程采用电沉积和热解等可规模化技术，具有显著的工业化应用前景。这项成果不仅推动了DEFC技术的发展，其材料设计策略对其它能源转换装置（如金属-空气电池、水电解槽）也具有重要借鉴意义。