化學系王定勝教授,、李亞棟院士課題組在甲酸電氧化取得突破進展
清華新聞網4月15日電 近日，化學系王定勝教授,、李亞棟院士領導的課題組在甲酸電氧化領域取得突破,，相關工作以“負載在氮摻雜碳上的單原子Rh：一種甲酸氧化的電催化劑”（Single-atom Rh/N-doped carbon electrocatalyst for formic acid oxidation）為題在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）發(fā)表。
燃料電池是一種理想的能量來源,，它可以以環(huán)境友好的方式將化學能轉換為電能,。氫氧燃料電池作為航空飛船的主要燃料，在上世紀80年代就已經得到了發(fā)展,，近年來氫氧燃料電池在汽車上的應用也有了突飛猛進的提高,。然而氫氧燃料電池需要用體積大且危險的高壓氫氣作為其燃料,，這限制了氫氧燃料電池的發(fā)展。而直接甲酸燃料電池(DFAFCs)由于其體積小,，毒性小,，nafion@膜的穿透率低等優(yōu)點，被認為是未來便攜式電子設備最有前途的電源之一,。在之前的研究中,，負載型納米級鈀和鉑通常被認為是DFAFCs的陽極反應甲酸電氧化（FOR）中最有效的催化劑，并得到了深入的研究,。然而,，由于FOR催化劑質量活性較低和一氧化碳抗毒性較差， DFAFCs陽極材料的發(fā)展達到了一個瓶頸,，極大地阻礙了其應用,。
SA-Rh/CN的合成路徑示意圖及其表征
在本工作中，研究人員使用主-客體合成策略成功地合成負載原子分散Rh的氮摻雜碳催化劑(SA-Rh/CN),，發(fā)現盡管Rh納米顆粒對甲酸氧化活性很低,，但是SA-Rh/CN卻具有極好的電催化性能。與最先進的催化劑Pd/C和Pt/C相比,，SA-Rh/CN的質量活性分別提高了28倍和67倍,。有趣的是，在CO剝離實驗中,，我們發(fā)現雖然納米級Rh催化劑對CO毒性十分敏感,，但是SA-Rh/CN很難吸附CO并且可以在很低的電壓下氧化CO，這說明SA-Rh/CN對CO毒化幾乎免疫,。經過長期反應的測試后,，SA-Rh/CN中的Rh原子具有抗燒結的能力，并因此在30000s的CA測試或者20000圈ADT測試后活性幾乎沒有改變,。在組裝電池的實驗中,，SA-Rh/CN的質量比能量密度在不同溫度下分別是商業(yè)鈀碳催化劑的8.8倍（30oC），14.8倍（60oC）和14.1倍（80oC）,這也說明了SA-Rh/CN在DFAFCs的應用中具有很高的潛力,。最后,，研究者用密度泛函理論（DFT）計算了Rh單原子甲酸氧化的機理。研究者發(fā)現在SA-Rh/CN上,，甲酸根路線更為有利,。和Rh納米顆粒具有較低的CO吸附能壘不一樣，SA-Rh/CN上的Rh單原子吸附CO能壘較高,，以及與CO的相對不利的結合,，使SA-Rh/CN具有極高的CO抗毒性。
這一發(fā)現將傳統(tǒng)的甲酸電氧化催化劑的質量比活性提高了一個數量級,，并且很好地解決了傳統(tǒng)納米催化劑的CO毒化問題,。 該發(fā)現有助于在燃料電池領域取得突破,，并有望應用于便攜式電子設備上。
本論文的通訊作者是王定勝教授,、李亞棟院士,，清華大學博士后熊禹是本文的第一作者。本研究受到國家自然科學基金委和科技部的經費資助,。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0665-x
供稿：化學系
編輯：李華山
審核：程曦
