绿氨是一种无碳燃料，相对氢更容易液化、运输和储存，产业链成熟，且比氢更不易燃，安全性高。若绿氨直接供于燃料电池进行发电，产物是水和氮，不会造成碳排放，氢能产业正在向氨方向发展。最近，江苏大学材料科学与工程学院杨娟教授和李毅博士、美国佛吉尼亚理工大学辛洪良教授、纽约州立大学布法罗分校武刚教授对于直接氨燃料电池阳极氨氧化电催化剂进行了深入的合作研究，利用机器学习预测筛选和实验制备验证，成功地合成出Pt3Ru-M (M: Fe, Co或Ni)合金催化剂，其表现出比Pt, Pt3Ir和Pt3Ru更优异的氨氧化催化性能，工作中采用从头算数据训练的图形神经网络计算方法，结合可解释的深度学习模型，揭示氨氧化活性的关键描述符，即前线轨道的吸附质共振能，提出比传统d带中心更优的高性能催化剂设计策略。该成果以 “Interpretable design of Ir-free trimetallic electrocatalysts for ammonia oxidation with graph neutral networks”为题发表在国际著名期刊《Nature Communications》上。

直接氨燃料电池阴极发生四电子的氧还原反应，虽然动力学比阳极快，但工况下不可避免会遭受由阳极通过阴离子交换膜穿梭到阴极的氨干扰，因为氨氧化和氧还原在相同电位区间内会在催化剂表面同时发生而导致电流损耗和全器件性能下降。针对此问题，近日江苏大学材料科学与工程学院青年教师孙中体教授和李毅博士、南京大学物理学院王冰教授开展合作，基于原子级分散的M-N-C (M = Fe, Co或Mn)氧还原催化剂，通过系统的实验和理论研究证明，该类催化剂可在氧还原工况下耐受氨干扰，而经典的碳负载铂催化剂则会吸附氨而发生不可逆活性损失。团队博士研究生武子瑞为该论文的第一作者。该成果以 “Ammonia tolerance of atomically dispersed single metal site catalysts: Mechanistic understanding and high-performance oxygen reduction electrocatalysis”为题发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。

以上探索性工作的开展将有助于推动直接氨燃料电池的发展。工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金等项目资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36322-5

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202301084