一种高效的非晶态三元Ni-B-Ce催化剂，用于提升BH4?的电催化氧化性能

《Inorganic Chemistry Communications》：An efficient amorphous ternary Ni-B-Ce catalyst for enhancing electrocatalytic oxidation performance of BH 4?

直接硼氢燃料电池（DBFC）阳极催化剂的合成与性能研究。采用化学还原法制备Ni-B和Ni-B-Ce化合物，通过ICP-OES、XRD、SEM、TEM及XPS表征其微观结构，发现铈掺杂显著改善催化性能，Ce0.25含量时BH4?氧化反应效率最优。研究证实Ni-B-Ce材料作为DBFC阳极催化剂具有更高活性和稳定性，为低成本催化剂开发提供新思路。

　　直接硼氢化物燃料电池（DBFC）作为一种新型的清洁能源技术，近年来在能源研究领域引起了广泛关注。DBFC的核心在于其高效的能量转换能力和较低的排放水平，这使其成为未来可持续能源发展的重要方向之一。在DBFC中，硼氢化物（如NaBH?、KBH?）作为燃料，能够通过化学反应转化为电能。这一过程的关键在于其阳极催化剂的选择与性能优化，因为阳极催化剂不仅决定了硼氢化物氧化反应（BOR）的效率，还影响了整个燃料电池的稳定性和使用寿命。

传统的阳极催化剂多采用贵金属材料，如金、铂、钯及其合金。这些材料具有优异的催化性能，但其高昂的成本和有限的储量限制了其大规模应用。相比之下，非贵金属材料，如氢储存合金和过渡金属化合物，因其成本低廉、制备简便以及一定的催化潜力，成为研究的热点。然而，这些材料在催化活性和稳定性方面仍存在不足，特别是在处理复杂的氧化反应时，其性能难以达到理想水平。因此，寻找一种既能提升催化性能，又能降低生产成本的阳极催化剂成为当前研究的重要目标。

为了实现这一目标，研究人员尝试在传统过渡金属硼化物中引入稀土元素。稀土元素因其独特的4f电子壳层结构和优异的物理化学特性，被广泛应用于催化、磁性和发光等领域。其中，Ce元素因其可变的价态、良好的离子和电子导电性以及对氧的高亲和力，成为提升催化性能的重要选择。在DBFC阳极催化剂中，Ce元素的引入不仅能够增强材料的导电性，还能有效调控氧化反应的路径，减少副反应的发生，从而提高整体的能量利用率。

本研究采用化学还原法合成Ni-B和Ni-B-Ce复合材料，并重点分析Ce掺杂对材料微观结构及催化性能的影响。通过使用电感耦合等离子体-光谱仪（ICP-OES）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等手段，对材料的组成、晶体结构和表面特性进行了系统表征。实验结果表明，Ni-B-Ce复合材料在催化活性和稳定性方面均优于纯Ni-B材料，且Ce的含量对催化性能具有显著影响。其中，Ce含量为0.25的样品表现出最佳的催化效果，能够有效促进BOR反应的进行。

在催化性能评估方面，研究者通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）、计时安培法（CA）和计时电位法（CP）等方法，对Ni-B/NF和Ni-B-Ce/NF电极的电化学行为进行了深入分析。结果表明，Ce的引入不仅提高了材料的催化活性，还显著降低了电极的阻抗，提升了其导电性。此外，Ce的加入有助于减少副反应的发生，从而提高燃料的利用率。这一现象的产生可能与Ce在材料中形成的特殊电子结构和表面活性位点有关，这些位点能够更有效地吸附和活化反应物，促进氧化反应的进行。

为了进一步探讨Ce对Ni-B材料性能的影响，研究者还对材料的电化学活性表面积（ECSA）进行了测量。结果表明，Ce的掺杂能够有效增加材料的表面积，从而提供更多的活性位点，提高催化反应的效率。同时，材料的表面结构在Ce掺杂后变得更加均匀和稳定，减少了颗粒聚集现象，这在一定程度上改善了材料的电化学性能。通过这些实验，研究者确认了Ce在提升Ni-B材料催化性能方面的重要作用，并为DBFC阳极催化剂的设计提供了新的思路。

从应用角度来看，Ni-B和Ni-B-Ce复合材料在DBFC阳极催化剂领域展现出广阔的应用前景。它们不仅能够提高催化反应的效率，还能降低燃料电池的运行成本和维护难度。此外，由于这些材料具有良好的稳定性和耐久性，其在长期运行中的性能表现也较为优异，这为DBFC的实际应用提供了保障。因此，将稀土元素Ce引入Ni-B材料，不仅能够提升其催化性能，还能增强其在燃料电池中的适用性。

在实际应用中，DBFC阳极催化剂的选择不仅需要考虑其催化活性，还需关注其在运行过程中的稳定性。由于硼氢化物氧化反应过程中伴随着水解反应，这一副反应会消耗部分氧化反应所需的电子，从而降低燃料的利用率。同时，水解反应还会产生气体，加速电极的钝化，进而影响燃料电池的性能。因此，理想的阳极催化剂应能够在提升催化活性的同时，有效抑制水解反应的发生，从而提高燃料电池的整体效率。

为了实现这一目标，研究者通过调控材料的微观结构和元素组成，优化了Ni-B-Ce复合材料的性能。实验结果表明，Ce的引入能够有效改变材料的电子结构，使其在氧化反应中表现出更高的活性。此外，Ce的加入还能够增强材料的导电性，从而减少电极的内阻，提高电流密度。这些改进不仅提升了材料的催化性能，还增强了其在实际应用中的稳定性。

在研究过程中，研究者还对不同Ce含量的Ni-B-Ce复合材料进行了系统比较。结果表明，随着Ce含量的增加，材料的催化性能呈现出先增强后减弱的趋势。这说明Ce的掺杂并非越多越好，而是需要在一定范围内进行优化。其中，Ce含量为0.25的样品表现出最佳的催化效果，能够有效促进BOR反应的进行，同时减少水解反应的发生。这一发现为未来DBFC阳极催化剂的设计提供了重要的参考依据。

综上所述，本研究通过化学还原法成功合成了Ni-B和Ni-B-Ce复合材料，并通过多种实验手段对其性能进行了系统分析。结果表明，Ce的引入能够有效提升材料的催化活性和稳定性，减少副反应的发生，从而提高燃料电池的整体效率。这一研究不仅为DBFC阳极催化剂的设计提供了新的思路，也为未来清洁能源技术的发展做出了贡献。随着研究的深入，这些材料有望在实际应用中发挥更大的作用，为解决能源危机和实现可持续发展提供技术支持。