《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Electrocatalytic ammonia oxidation on nickel and cobalt nanostructures for efficient hydrogen production
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氢气作为一种清洁、高能密度的能源载体，在能源转型中具有重要潜力，但其储存与运输仍面临高成本和安全风险。氨因含氢质量分数达17.7%，且在常温常压下为液态，成为理想的氢载体。本研究在碱性条件下，采用镍泡沫负载的镍与钴纳米结构（Ni/NF、Co/NF）作为阳极催化
氢气作为一种清洁、高能密度的能源载体，在能源转型中具有重要潜力，但其储存与运输仍面临高成本和安全风险。氨因含氢质量分数达17.7%，且在常温常压下为液态，成为理想的氢载体。本研究在碱性条件下，采用镍泡沫负载的镍与钴纳米结构（Ni/NF、Co/NF）作为阳极催化剂，通过氨氧化反应实现低能耗制氢。巨正则密度泛函理论（GC?DFT）计算表明，氨在Ni(111)表面吸附更强，而Co(111)在脱氢过程中反应动力学更为平稳，整体反应能量学更有利。电化学测试结果显示，Co/NF在0.32 V（相对于Ag/AgCl）起始电位下实现了819 mA·cm?2的阳极电流密度，高于Ni/NF的522 mA·cm?2；其制氢能耗为4.08 mWh·g?1NH3，电池效率达64.8%。性能提升归因于Co/NF较低塔菲尔斜率与电荷转移电阻。该工作结合理论与实验，证明Ni/NF和Co/NF均为可持续氨电解制氢的高效非贵金属催化剂。
该研究针对氢能储运难题，选择氨作为氢载体，以替代传统水电解中高过电位的析氧反应（OER），从而降低制氢能耗。现有非贵金属氨氧化催化剂的反应机理尚不明确，且传统密度泛函理论（DFT）模型难以精确模拟电位对反应能量学的影响。为此，研究人员结合巨正则密度泛函理论（GC?DFT）与电化学实验，在碱性介质中系统比较了镍与钴纳米结构在镍泡沫上的催化表现，旨在揭示反应机理并优化电极性能。
在技术方法上，研究首先采用GC?DFT计算Ni(111)与Co(111)表面的氨吸附与脱氢反应路径，考虑电位与溶剂效应；实验中以三维多孔镍泡沫为基底制备Ni/NF与Co/NF电极，并通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等进行结构与形貌表征，随后在碱性氨溶液中进行线性扫描伏安法（LSV）、恒电位电解、电化学阻抗谱（EIS）及氢气产量测定，评估催化活性、稳定性与能耗。
结果与讨论部分如下：
结构表征：XRD结果表明，Ni/NF与Co/NF均保留了镍泡沫的晶体结构，同时金属相与氧化物相共存，有利于催化活性位点的形成。
理论计算：GC?DFT显示氨在两金属表面均为放热吸附，其中Ni(111)吸附更强，而Co(111)在连续脱氢步骤中能量变化更平缓，预示更优的反应动力学。
电化学性能：Co/NF表现出更高的阳极电流密度与更低起始电位，且在不同电位下的制氢速率均优于Ni/NF。
能耗与效率：Co/NF制氢的单位能耗显著低于Ni/NF，且电池能量转换效率更高。
机理分析：塔菲尔斜率与阻抗结果证实Co/NF具有更快的电子转移速率与更低的极化损失。
结论部分指出，该研究通过理论与实验相结合，明确了Co/NF在氨氧化制氢中的优势，验证了GC?DFT在预测电催化行为中的可靠性。该研究为开发低成本、高效率的非贵金属氨氧化催化剂提供了理论依据与技术路线，有助于推动氨作为氢载体的实际应用，并在可持续能源体系中具有重要意义。
（注：论文发表于《JOURNAL OF POWER SOURCES》）
