燃料电池是一种能量转换解决方案，通过电化学反应产生电能，无需燃烧，因此不会造成地球空气污染。这些电池可以为各种技术提供动力，从电动汽车到便携式充电器和工业机器。
尽管燃料电池具有诸多优势，但迄今为止推出的许多燃料电池设计都依赖于昂贵的材料和贵金属催化剂，这限制了它们的广泛应用。阴离子交换膜燃料电池（Anion-exchange-membrane fuel cells，AEMFC）可以帮助应对这些挑战，因为该电池采用地球上储量丰富、成本低廉的催化剂，因此价格更实惠。
近年来，全球许多研究小组一直在设计和测试新型AEMFC。虽然一些现有设备取得了令人鼓舞的成果，但大多数用作催化剂的非贵金属被发现容易发生自氧化，从而导致电池不可逆故障。
图片来源：期刊《Nature Energy》
据外媒报道，重庆大学和拉夫堡大学（Loughborough University）的研究人员最近设计出可以防止AEMFC金属镍电催化剂氧化的策略。相关论文已发表于期刊《Nature Energy》。该策略需要使用由量子限制的金属镍纳米粒子组成的新设计的量子阱催化结构（QWCS）。
“AEMFC中用于催化氢氧化反应的非贵金属容易发生自氧化，从而导致不可逆的失效，”Yuanyuan Zhou、Wei Yuan及其同事在论文中写道。“我们展示了一种QWCS，它由原子级限制在碳掺杂MoOx/MoOx异质结（C-MoOx/MoOx）内的Ni纳米粒子构成，可以选择性地从氢氧化反应中转移外部电子，同时保持其本身的金属性。”
QWCS是具有量子阱特性的纳米结构，可以增强催化活性。研究人员构建的新型QWCS由原子级限制在异质结中的Ni纳米粒子组成，该异质结由结晶的碳掺杂MoOx（C-MoOx）作为低能谷和非晶态MoOx作为高能垒组成。
此次设计的催化剂称为Ni@C-MoOx，可以选择性地转移通过氢氧化反应催化产生的外部电子，而无需将电子从Ni催化剂转移到QWCS的谷底。这种选择性电子转移使催化剂具有抗电氧化能力，保护燃料电池免于退化和故障。
Ni@C-MoOx催化剂在恶劣条件下连续运行100小时后仍能保持出色的HOR催化稳定性，可用于制造阳极催化碱性燃料电池。该燃料电池取得了显著的效果，表现出486 mW mgNI-1的高比功率密度，并且在反复关机-启动循环后性能没有下降。
“Ni纳米粒子的电子获得了QWCS提供的1.11 eV的势垒，从而使Ni相对于可逆氢电极（VRHE）的稳定性高达1.2 V，而氢气吸附后QWCS的门控操作使从氢氧化反应中释放的电子很容易越过势垒，”Zhou、Yuan及其同事写道。“QWCS催化的AEMFC实现了486 mW mgNi-1的高功率密度，并在关机-启动循环期间经受住了氢气不足操作，而没有QWCS的对应AEMFC在单个循环中失效。”
由该研究团队设计和构建的新型催化结构可能很快有助于开发具有成本效益的AEMFC，这种AEMFC更可靠，并且不会随着时间的推移而迅速退化。其底层设计策略还可用于创建其他有前途的催化剂，利用量子限制来防止非贵金属的电氧化。
