氫能及其相關(guān)技術(shù)對于應(yīng)對氣候變化和滿足日益增長的能源需求至關(guān)重要。盡管質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)目前商業(yè)上相對成熟，但它尚未克服對鉑(Pt)基催化劑的依賴，阻礙了氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)由于堿性電解質(zhì)腐蝕性小，可利用廉價的非貴金屬陰極催化劑和雙極板而受到了廣泛關(guān)注。然而其陽極上發(fā)生的堿性氫氧化反應(yīng)(HOR)在動力學(xué)上比在酸性介質(zhì)中慢2-3個數(shù)量級，并且催化劑會被工業(yè)氫氣中存在的痕量CO毒化。因此開發(fā)高活性、耐CO毒化和長時穩(wěn)定的堿性非Pt基HOR催化劑是拓展AEMFC應(yīng)用的關(guān)鍵。
鑒于此，西北工業(yè)大學(xué)韓云虎教授聯(lián)合奧克蘭大學(xué)助理教授王子運(yùn)、中國科學(xué)院上海高等研究院助理研究員甘濤合作，結(jié)合了稀合金化與單原子改性兩種策略，針對價格低廉、擁有類Pt本征活性的金屬釕(Ru)展開研究，構(gòu)建了負(fù)載在碳納米管上的Ru/Co單原子與RuCo稀合金復(fù)合催化劑(RuCo)NC+SAs/N-CNT。所制備的催化劑在堿性環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的HOR活性、抗CO毒性和長時穩(wěn)定性。
通過高分辨透射電鏡和球差電鏡結(jié)合X射線衍射、同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜和X射線光電子能譜證明了Ru/Co單原子與RuCo稀合金顆粒共同分布在碳納米管載體上。 電化學(xué)測試表明，(RuCo)NC+SAs/N-CNT擁有優(yōu)異的堿性HOR性能，其質(zhì)量活性高達(dá)7.35 A mgRu-1，在1000 ppm CO中能夠維持高活性，在旋轉(zhuǎn)圓盤上運(yùn)行10小時后電流密度僅下降14.7%。值得注意的是，當(dāng)催化劑應(yīng)用于AEMFC陽極時，以較低的貴金屬載量(0.1 mgRu cm-2)獲得了優(yōu)秀的峰值功率密度(1.98 W cm-2)，表明(RuCo)NC+SAs/N-CNT是目前最優(yōu)異的釕基堿性HOR催化劑之一。 實驗結(jié)合DFT計算表明，稀合金化與單原子修飾協(xié)同優(yōu)化了催化劑對*H和*OH的吸附，從而提高了催化劑的堿性HOR性能。并且證實了反應(yīng)主要發(fā)生在合金位點(diǎn)上，單原子的引入進(jìn)一步提高了合金位點(diǎn)的活性。此外，在催化劑表面*CO吸附被大幅減弱，從*CO到CO2的轉(zhuǎn)化效率顯著提高，這是其優(yōu)異抗CO毒性的來源。 該工作進(jìn)一步證明了*H、*OH和*CO在催化劑表面的吸附對其催化性能有較大程度的影響，應(yīng)對其進(jìn)行合理調(diào)控，也為今后進(jìn)一步開發(fā)堿性HOR電催化劑提供了借鑒。 論文信息 Dilute RuCo Alloy Synergizing Single Ru and Co Atoms as Efficient and CO-Resistant Anode Catalyst for Anion Exchange Membrane Fuel Cells Zhibo Cui, Zhanghao Ren, Dr. Chao Ma, Bowen Chen, Guanzhen Chen, Ruihu Lu, Dr. Wei Zhu, Dr. Tao Gan, Prof. Ziyun Wang, Prof. Zhongbin Zhuang, Prof. Yunhu Han Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202404761
