华中科技大学在燃料电池催化剂领域取得新进展

张明 2024-03-27

电催化是解决能源与环境问题的关键技术之一，然而电催化剂特别是高性能的贵金属基材料易受杂质或毒性中间体的毒化失效。直接甲酸燃料电池具有理论电压大、燃料不易燃、能量密度高等优点，但是阳极的甲酸氧化路径对Pt的尺寸较为敏感。在纯Pt表面易于形成吸附态一氧化碳（CO*）中间体，占据Pt表位点，需要较高的过电位才能将其移除，降低电池输出效率。而甲酸直接氧化成二氧化碳倾向于在稀释的Pt位点上进行，过电位较小。传统的双金属催化剂对提升甲酸直接氧化反应路径的选择性取得了一定成效，但是稳定性与贵金属利用率的提高仍然存在很大的挑战。金属间化合物与高熵合金分别具有高选择性与高稳定性的优点，但是前者制备过程中需要高温处理导致颗粒聚集，而后者很难在隔绝表面的贵金属间的配位。

图1. 超小高熵金属间化合物设计策略与抗CO*毒化机制示意图

针对上述问题，王得丽教授团队提出通过结合金属间化合物与高熵合金的优势制备超小高熵金属间化合物的策略，以获得兼具有高选择性、高稳定性与高原子利用率的甲酸电氧化催化剂。通过以PtFe为基体，引入高熔点的Ir/Ru元素抑制催化剂的烧结，引入Pd与Pt作为活性位点，引入Cu与Fe调控贵金属电子结构并稀释活性位点。结构表征证实形成L10型的六元高熵金属间化合物，并且平均尺寸小于2 nm，贵金属与非贵金属具有相应的占位。与纯Pt相比，高熵金属间化合物选择性显著改善，比活性得到一个数量级地提升；与常规二、三元金属间化合物相比，稳定性明显改善，电流衰减与非贵金属溶出得到抑制。理论计算揭示了高熵金属间化合物良好的CO*抗性与稳定性来自于削弱的CO*结合强度与迟滞扩散速率，而纯Pt易于吸附CO*并且CO*扩散较快。该工作为制备小尺寸合金催化剂与提升催化剂的抗毒化能力提供了新的设计思路。

华中科技大学为该项工作的第一完成单位及通讯单位，华中科技大学化学与化工学院申涛为该论文的第一作者，王得丽教授为论文唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（22279036）、新能源化学与器件创新基地基金（B21003）的支持。

内容来源：华中科技大学化学与化工学院

责任编辑：展源

审　　核：何发

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