镍氢气电池因其高安全性、环境友好、长寿命等优势被认为是大规模储能领域极具前景的储能体系方案之一。然而，传统镍氢气电池负极普遍使用铂族贵金属催化剂，限制了其民用储能应用。开发资源丰富的非贵金属催化剂以取代传统的铂族催化剂是实现镍氢气电池大规模储能应用的一个重要策略。在非贵金属催化剂中，镍基催化剂显示出良好的HER/HOR催化性能。然而，目前镍基催化剂的HER/HOR催化活性远逊于铂族催化剂，难以满足实际应用的需求。因此，设计制备高活性非贵金属催化剂是实现高性能、低成本镍氢气电池的关键。

图1 NNM-HEA CF催化电极的合成示意图。(a)泡沫铜。(b)生长有Cu(OH)2纳米线的泡沫铜。(c)催化剂前驱体：水热反应后生长有Cu(OH)2纳米线的泡沫铜。(d)NNM-HEA CF。


针对上述问题，来自中国科学技术大学的陈维教授团队在ACS Nano期刊发表了题为“Non-Noble Metal High-Entropy Alloy-Based Catalytic Electrode for Long-Life Hydrogen Gas Batteries”的文章。该文章通过在泡沫铜上原位生长非贵金属高熵合金催化剂构建了非贵金属高熵合金催化电极（NNM-HEA CF）作为镍-氢气（Ni-H2）电池的HER/HOR双功能氢气催化负极。该电极在50 mV电位下的HOR活性高达8.65 mA mg-1，且仅需85.2 mV过电位即可实现100 mA cm-2的HER电流密度，优于大多数非贵金属催化剂材料。


实验和理论计算结果表明，NNM-HEA催化剂通过多金属高熵合金化优化了金属镍活性位点的电子结构，因而极大地促进了HER/HOR催化过程。以NNM-HEA CF为负极的Ni-H2电池表现出优异的倍率性能和循环性能，如在15 mAh cm-2的面容量下，该Ni-H2电池可以5 mA cm-2电流密度稳定循环超过1800 h。该电池也在0.45 Ah级容量下进行了示范演示，同样表现出优异的电池性能。基于电极、隔膜和电解液所有关键组件估算，以NNM-HEA CF为负极的Ni-H2电池能量密度高达~109.3 Wh kg-1，成本低至~107.8$kWh-1，与基于Pt/C CF电极构建的Ni-H2电池相比成本降低了6倍以上。本研究为大规模储能应用中氢气电池高效非贵金属HER/HOR双功能催化剂的开发提供了方法。