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Angew. Chem. :巢型保护高能台阶面复合催化剂用于酸性直接乙醇燃料电池2025-03-14
作为可持续化学-电能转换装置,燃料电池将可能引起未来能源装置的革命,是能源技术的研究热点。目前,酸性条件下工作的氢氧燃料电池技术成熟,但氢气供应与安全使用挑战巨大。与氢或甲醇相比,乙醇,具有更高的能量密度和安全性,是燃料电池的最佳燃料。然而,酸性条件下的乙醇电氧化催化剂存在重大瓶颈,阻碍了乙醇燃料电池的技术进步。

既往研究结果表明,在传统Pt/Pd基催化剂上,乙醇电氧化(EOR)过程中的乙醇C-C键断裂效率通常不到8%,主要产物不是完全氧化的12电子过程产生的CO2,而是通过4电子氧化过程产生的乙酸,这进一步加剧了催化剂中毒。因此,发展在酸性介质中有效断裂C-C键的催化剂对乙醇燃料电池的实际应用至关重要。先前采用的策略,包括构建核壳纳米结构、金属原子掺杂和引入级联催化位点等,能够一定程度提高EOR的效率,但总体而言,仅调节活性中心的单一组分无法充分应对EOR阳极催化剂的多方面要求,加上酸性条件下挑战更大,这些使得高效EOR催化剂研发成为一个棘手的难题。

南京大学丁维平教授团队基于多年介观催化研究的积累,通过锚定自组装策略,设计制备了一种高效EOR复合催化剂ZnNC⊂PtZn/C(符号“⊂”表示包容的意思)。该催化剂的反应中心呈巢型结构,外层的Zn-NxC巢覆盖内部的PtZn纳米粒子,负载在碳载体上,应用于酸性条件下乙醇燃料电池。内部的PtZn纳米粒子由Pt皮覆盖的Pt1Zn1金属间化合物组成,在其外表面存在丰富的高能台阶面,而Zn-NxC巢构成了围绕Pt/Pt1Zn1中心的保护和可渗透框架。

 

 

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图1. ZnNC⊂PtZn/C的设计策略、形态与结构表征.

实验和理论计算结果表明,内部Pt/Pt1Zn1的高能台阶面对EOR过程中关键的C-C键裂解具有高活性,其质量活性为3.7 A mg Pt-1,12电子的C1反应路径法拉第效率FEC1为78.2%,循环5000次后初始活性保持率为97%,体现了外围结构的保护作用。动力学实验结果表明这种独特的外围巢型结构也减轻了乙醇浓差极化,在酸性直接乙醇燃料电池测试中实现了29.2 mW mgPt-1的创纪录功率输出。

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图2. ZnNC⊂PtZn/C的EOR性能.

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图3. ZnNC⊂PtZn/C的EOR机理研究.

这些结果体现了将Pt/Pt1Zn1纳米颗粒的高能台阶面与Zn-NxC的多孔外围结构结合以提高催化活性和稳定性的实效。与传统负载型催化剂相比,带有外围组织组装结构的复合催化剂在提高反应活性、稳定性和选择性方面具有更大的优势,是发展高性能燃料电池催化剂和其他催化剂的重要思路。

文信息

Integrated Catalyst ZnNC⊂PtZn for High-Performance Ethanol Electrooxidation and DEFC

Xiaoxia Hou, Chenjia Liang, Ruiyao Zhao, Liwen Wang, Teng Chen, Jie Yang, Xiangke Guo, Nianhua Xue, Tao Wang, Luming Peng, Xiaomei Zhao, Weiping Ding

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202417406