《Chem. Eng. J.》：Pd₃Pb双金属气凝胶用于氧还原反应抗毒化

Pd₃Pb Bimetallic Aerogels for Anti-poisoned Oxygen Reduction Reaction

Hui Fu, Juan Wang, Yao Chen, Honggang Huang, Yang Wang, Hanjun Li, Feili Lai, Longsheng Zhang, Nan Zhang,* Jiadong Chen,* Tianxi Liu*

Chem. Eng. J. 2023, DOI:10.1016/j.cej.2023.144255

直接甲醇燃料电池（DMFC），具有储存运输简便、结构简单、体积较小、比能量高等优点，是一种较为理想的燃料电池。氧还原反应（ORR）是DMFC的阴极反应，是一个非常重要的电化学过程。钯（Pd），性能优异且储量相对丰富，被认为是有望替代铂的理想ORR催化剂。甲醇（CH₃OH）在DMFC阳极氧化过程中很难完全生成二氧化碳和水，难以避免地会产生一氧化碳（CO）等中间产物。无论是CH₃OH还是CO，都较易透过阴极和阳极之间的离子交换膜渗透到阴极。迁移到阴极的CH₃OH在Pd的作用下会被氧化，产生混合电势，导致ORR活性降低；此外，CO会与Pd产生强烈的化学吸附，这种化学吸附的速度快且不可逆，占据大量的Pd活性位点，造成氧气（O₂）难以接触到催化剂表面的Pd活性位点，使得ORR催化效率极大降低，产生“中毒”现象。催化剂“中毒”不仅降低了碱性DMFC的实际催化效能，也间接地提高了DMFC的实际应用成本，是限制DMFC进一步大规模商业化应用的瓶颈。因此，开发高催化活性和抗毒化性兼备的Pd基ORR催化剂具有重大意义，但仍是一个巨大挑战。

基于此，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组提出了离子液体辅助策略，开发了具有高ORR活性和抗毒化性的Pd₃Pb双金属气凝胶（BMAs）新材料。Pd₃Pb BMAs/C在0.1 M KOH含CO或0.3 M CH₃OH的电解液中仍能保持其原有的半波电位（0.862 V_RHE）和质量活性（0.084 A mg_Pd^-1），展现出优于Pd金属气凝胶（MAs）和商业Pd/C的活性和抗毒化性。即使在0.1 M KOH含0.3 M CH₃OH的电解液中进行10000次循环后，Pd₃Pb BMAs/C依然能维持原有结构及组成，且没有明显的活性衰减。此外，Pd₃Pb BMAs/C在气体扩散电极（GDE）测试中表现出高达142.1 mA cm^-2的电流密度，分别是Pd MAs/C和商用Pd/C的1.4倍和3.4倍，表明其在DMFC中具有较大的应用潜力。机理研究证明，Pd₃Pb BMAs中Pd和Pb之间的强相互作用、丰富的表面缺陷及不饱和位点不仅有效增强了其对O₂吸附和活化，还削弱了对CO和CH₃OH的吸附，使其兼具高ORR活性和抗毒化性能。

本论文第一作者为化工学院博士研究生付慧，通讯作者为刘天西教授、张楠副教授和陈佳东博士。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144255