High‐Efficiency Hydrogen Oxidation for Hydroxide Exchange Membrane Fuel Cells Catalyzed by Fivefold‐Twinned Nickel Nanoparticles

催化作用 纳米颗粒 氢氧化物 材料科学 燃料电池 化学工程 无机化学 化学 冶金 纳米技术 有机化学 工程类
作者
Pin Meng,Yang Yang,Jiahe Yang,Peichen Wang,Chenyang Bi,Hongda Shi,Yunlong Zhang,Xingyan Chen,Dingge Fan,Siyan Chen,Xin Li,Dongdong Wang,Qianwang Chen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (36): e202511219-e202511219 被引量:11
标识
DOI:10.1002/anie.202511219
摘要

The independent regulation of multiple intermediates is critically important for optimizing the electronic structure of nickel (Ni), thereby improving its catalytic performance in the hydrogen oxidation reaction (HOR). However, conventional regulation strategies based on the Hammer-Nørskov d-band model often change the hydrogen binding energy (HBE) and hydroxyl binding energy (OHBE) in a synchronized manner. Herein, we find that a catalyst consisting of fivefold-twinned ultrasmall Ni nanoparticles could tune HBE and OHBE individually via the strain effect. Experimental and theoretical calculations suggest that tensile strain in proximity to the twin boundary (TB) significantly enhances OHBE, allows for adjustable HBE due to unique geometric effects, and greatly reduces HBE at specific sites, enabling an unprecedented HOR activity. The catalyst has a high jk,m value of 106.6 mA mgNi -1, which is 24.2 times greater than that of Ni/C. The hydroxide exchange membrane fuel cell (HEMFC) with fivefold-twinned Ni nanoparticles anode delivers a peak power density (PPD) of 805 mW cm-2 with H2/O2 gas feed, which is the highest among Ni-based electrocatalysts reported thus far. Furthermore, the catalyst also exhibits excellent long-term cycling performance, taking a giant step forward toward the commercialization of platinum group metal (PGM)-free HEMFCs.
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