近日，国际权威刊物《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了环境科学与工程学院盛闻超教授团队的研究论文“Metal-support Interaction Boosts the Stability of Ni-based Electrocatalysts for Alkaline Hydrogen Oxidation”。

镍基氢气氧化反应（Hydrogen oxidation reaction，HOR）电催化剂是阴离子交换膜燃料电池（Anion exchange membrane fuel cells，AEMFCs）极具发展前景的阳极催化剂材料，但较低的活性和稳定性限制了进一步发展。该研究报道了一种TiO₂负载型Ni₄Mo非贵金属HOR催化剂（Ni₄Mo/TiO₂）。该催化剂在碱性电解质中HOR质量活性为10.1±0.9 A g⁻¹_Ni，且在1.2 V阳极过电位下保持催化活性。Ni₄Mo/TiO₂阳极AEMFC能够达到520 mW cm⁻²的峰值功率密度，在400 mA cm⁻²大电流密度下持续运行近100小时。Ni₄Mo/TiO₂突出的HOR活性和稳定性源于TiO₂载体向Ni的有效电荷转移所引起的d带中心下移，减弱表面含氧物质吸附强度。Ni₄Mo/TiO₂在半电池和AEMFC单电池测试中都具有目前非贵金属材料HOR稳定性的最高纪录，为高效稳定的AEMFC阳极催化剂的设计和开发提供了新思路和实例。

该研究将NiMo氢氧化前驱体和商用TiO₂载体均匀混合后在400^oC条件下H₂退火处理，制备得到负载型Ni₄Mo/TiO₂催化剂。旋转圆盘电极测试表明，催化剂在90 mV过电位时HOR极限电流密度为2.23 ‍mA ‍cm⁻²_geo，在析氧反应发生之前（~1.4 V）有稳定的HOR电流，且在1.2 V（甚至1.4 V）高阳极过电位下8000‍ s测试时间内没有明显电流衰减。AEMFC单电池测试表明，最大功率密度可达520 mW cm⁻²，远高于未负载前Ni₄Mo（188 mW cm⁻²）。三次循环放电后最大功率密度衰减仅为7%。400 ‍mA‍ cm₋₂大电流密度下持续运行近100小时，是迄今为止最稳定的AEMFC阳极非贵金属催化剂。

该研究所制备的负载型Ni₄Mo/TiO₂催化剂同时具有与Ni₄Mo和TiO₂相关的晶体学特征，形貌为平均粒径约为7.6 nm的球形Ni₄Mo颗粒均匀分布于TiO₂载体上，并保持未负载前Ni₄Mo的形貌和晶体特征。X射线光电子能谱（X-ray photoemission spectrum，XPS）和X射线吸收精细结构光谱（X-ray absorption fine structure spectroscopy，XAFS）结果均表明Ni₄Mo/TiO₂中存在Ni₄Mo与TiO₂载体之间电子相互作用，并发生从TiO₂向Ni的电荷转移。紫外光电子能谱（ultra-violet photoemission spectroscopy，UPS）证明Ni₄Mo/TiO₂中电子转移使得Ni 3d电子能带中心相对于Ni₄Mo向远离费米面的方向偏移，从而减弱Ni₄Mo/TiO₂对表面含氧物质的吸附能力，使其具有不同寻常的抗氧化能力，可以在高阳极电位下承受恶劣的氧化条件。Ni₄Mo/TiO₂极高的抗氧化性能也得到原位Raman、准原位XPS和DFT计算理论计算的验证。

Ni基非贵金属和TiO₂载体之间金属载体相互作用（Metal support interaction，MSI）同样可以显著提高Ni₂W催化剂的HOR稳定性。Ni₂W/TiO₂在1.0 V仍然具有HOR活性，且极限电流密度只有轻微衰减，在1.2 V过电位下具有较好的电化学稳定性。

该研究强调了Ni基非贵金属和TiO₂载体之间金属载体相互作用（MSI）在调控镍基电催化剂的电子结构以提升非贵金属电催化剂碱性HOR稳定性方面的重要性，并证明了Ni₄Mo/TiO₂是一种高效稳定的AEMFC阳极催化剂，为AEMFC的发展奠定了基础。

同济大学为第一单位，盛闻超教授和武汉大学庄林教授为通讯作者，同济大学环境科学与工程学院博士生田晓宇和武汉大学博士生任仁捷为共同第一作者。该工作还得到北京化工大学庄仲滨教授团队和中国科学院高能物理研究所裴加景博士的大力支持。该研究得到了国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费专项资金资助。

论文链接：https://rdcu.be/du3Hn