高酸性环境有利于实现快速的氢氧化反应，而氢氧化反应正是清洁能源燃料电池的核心过程。但在传统燃料电池中，能够在强酸条件下保持稳定、不被溶解的催化剂几乎只有铂、钯等贵金属，它们价格高昂，严重制约了燃料电池的大规模应用。

更廉价的碱性燃料电池路线

为降低成本并推动燃料电池技术发展，康奈尔大学的 Héctor D. Abruña 和 David Muller 团队，以及碱性能源解决方案中心（CABES）的研究人员，将研究重点转向碱性或其他非酸性环境下运行的燃料电池。他们开发出一种非贵金属催化剂——碳包覆镍，在碱性介质中展现出优异的氢氧化反应活性和稳定性。

在测试中，当该碳包覆镍催化剂与 CABES 研发的另一种非贵金属基氧还原反应（ORR）催化剂配合使用时，所构建的燃料电池系统功率密度超过了美国能源部（DOE）设定的基准值。这一结果表明，采用镍、钴等廉价大宗金属构建的碱性燃料电池在性能上已取得关键进展，有望应用于发电机、交通运输以及偏远地区的替代电力系统等场景。

“这项工作有望在广泛的燃料电池应用中带来变革，因为它摆脱了对贵金属的依赖。”康奈尔大学文理学院化学与化学生物学系 Émile M. Chamot 教授 Héctor D. Abruña 表示，“我们在极其廉价的材料上实现了人们长期追求的性能指标。”

相关成果以《揭示镍氧化态对碱性氢氧化电催化的敏感性和重要性》为题发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。论文通讯作者为 Abruña 和康奈尔纳米尺度科学卡夫利研究所联合主任、康奈尔达菲尔德工程学院应用与工程物理系 Samuel B. Eckert 教授 David Muller。Abruña 课题组的博士后研究员李启豪和博士生施子晓为共同第一作者。

Abruña 指出，在碱性介质中可以使用镍、铁、钴、锰等非贵金属，其价格比铂、钯等贵金属低 500 至 1000 倍，从而大幅削弱了成本因素的影响。但这也意味着必须开发出既能在碱性环境中高效运行，又具备长期耐久性的催化剂。

研究团队强调，碱性介质中氢氧化反应速率偏慢，一直是替代贵金属催化剂的主要技术瓶颈。镍在碱性条件下本身具有潜力，但极易被氧化，导致催化活性迅速衰减。

碳包覆镍的保护与催化机制

在本项研究中，科研人员利用多种显微和光谱技术，对镍催化剂在反应过程中的状态进行了系统表征。Muller 团队的结构分析工作表明，保持金属态镍表面对实现高效氢氧化反应至关重要。

理论计算结果显示，镍表面形成的镍羟基表明镍与外层石墨烯之间存在强相互作用，从而构筑出致密封闭的碳壳层，对镍表面起到有效保护作用。

“我们开发了一种方法，可以用石墨烯形式的碳层将镍包覆起来。”Abruña 介绍说，“这层碳壳厚度只有几纳米，大约三到四个原子层。”

这一厚度一方面足够薄，使电子可以顺利穿透碳层参与氢氧化反应；另一方面又足够厚，能够阻止镍被进一步氧化，从而维持其金属态和催化活性。

Muller 团队获得的对比图像清晰展示了反应过程中镍在原子尺度下的变化：未包覆碳层的镍在表面和内部都出现明显氧化，而包覆碳层的镍则仅在外表面检测到氧存在，内部保持无氧状态，直接证明了碳包覆策略在抑制镍氧化方面的有效性。

性能里程碑与下一步方向

在对燃料电池进行性能测试时，研究人员测得其功率密度达到每平方厘米 1 瓦这一关键水平。Abruña 表示，这一数值不仅超过了 DOE 对贵金属负载燃料电池设定的目标，也已接近甚至可比拟传统贵金属燃料电池的性能。

这意味着，基于碱性介质和非贵金属催化剂的燃料电池技术具备了大规模推广的潜力，因为传统体系中每个电池单元需要数克贵金属催化剂的成本负担将不复存在。

接下来，研究团队需要进一步提升碱性燃料电池的耐久性。DOE 对燃料电池稳定性的目标是 1.5 万小时连续运行。“我们目前大约达到 2000 小时，虽然还未达到 1.5 万小时，但已经相对接近。”Abruña 表示。他认为，通过工程设计和系统优化可以逐步弥补这一差距，而核心反应的化学基础已经相对成熟。

从长期看，该技术有望应用于汽车燃料电池系统。更近一步的应用场景则包括固定式和移动式发电机，以及各类分布式电力系统，为清洁能源供给提供更具成本优势的解决方案。