鎳氫氣電池因其高安全性、環(huán)境友好、長壽命等優(yōu)勢被認(rèn)為是大規(guī)模儲能領(lǐng)域極具前景的儲能體系方案之一。然而，傳統(tǒng)鎳氫氣電池負(fù)極普遍使用鉑族貴金屬催化劑，限制了其民用儲能應(yīng)用。開發(fā)資源豐富的非貴金屬催化劑以取代傳統(tǒng)的鉑族催化劑是實(shí)現(xiàn)鎳氫氣電池大規(guī)模儲能應(yīng)用的一個重要策略。在非貴金屬催化劑中，鎳基催化劑顯示出良好的HER/HOR催化性能。然而，目前鎳基催化劑的HER/HOR催化活性遠(yuǎn)遜于鉑族催化劑，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，設(shè)計制備高活性非貴金屬催化劑是實(shí)現(xiàn)高性能、低成本鎳氫氣電池的關(guān)鍵。

圖1 NNM-HEA CF催化電極的合成示意圖。(a)泡沫銅。(b)生長有Cu(OH)2納米線的泡沫銅。(c)催化劑前驅(qū)體：水熱反應(yīng)后生長有Cu(OH)2納米線的泡沫銅。(d)NNM-HEA CF。

針對上述問題，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳維教授團(tuán)隊(duì)在ACS Nano期刊發(fā)表了題為“Non-Noble Metal High-Entropy Alloy-Based Catalytic Electrode for Long-Life Hydrogen Gas Batteries”的文章。該文章通過在泡沫銅上原位生長非貴金屬高熵合金催化劑構(gòu)建了非貴金屬高熵合金催化電極（NNM-HEA CF）作為鎳-氫氣（Ni-H2）電池的HER/HOR雙功能氫氣催化負(fù)極。該電極在50 mV電位下的HOR活性高達(dá)8.65 mA mg-1，且僅需85.2 mV過電位即可實(shí)現(xiàn)100 mA cm-2的HER電流密度，優(yōu)于大多數(shù)非貴金屬催化劑材料。

實(shí)驗(yàn)和理論計算結(jié)果表明，NNM-HEA催化劑通過多金屬高熵合金化優(yōu)化了金屬鎳活性位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，因而極大地促進(jìn)了HER/HOR催化過程。以NNM-HEA CF為負(fù)極的Ni-H2電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，如在15 mAh cm-2的面容量下，該Ni-H2電池可以5 mA cm-2電流密度穩(wěn)定循環(huán)超過1800 h。該電池也在0.45 Ah級容量下進(jìn)行了示范演示，同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的電池性能?；陔姌O、隔膜和電解液所有關(guān)鍵組件估算，以NNM-HEA CF為負(fù)極的Ni-H2電池能量密度高達(dá)~109.3 Wh kg-1，成本低至~107.8$kWh-1，與基于Pt/C CF電極構(gòu)建的Ni-H2電池相比成本降低了6倍以上。本研究為大規(guī)模儲能應(yīng)用中氫氣電池高效非貴金屬HER/HOR雙功能催化劑的開發(fā)提供了方法。