《ChemSusChem》：晶格应变金属气凝胶作为氧还原反应抗毒化的高效催化剂

Lattice-strained Metallic Aerogels as Efficient and Anti-poisoning Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction

Hui Fu, Honggang Huang, Yao Chen, Kezhu Jiang, Feili Lai, Cun Chen, Zhe Zhang, Hanjun Li, Nan Zhang,* Tianxi Liu*

ChemSusChem (2023). DOI：10.1002/cssc.202301221

钯（Pd）被认为是各种电化学反应中最有效的电催化剂之一，在推动电催化的发展中占据着不可或缺的地位。其中，Pd作为阴极氧还原反应（ORR）的常用催化剂，因其优异的性能在碱性直接甲醇燃料电池（DMFCs）中发挥着重要作用。然而，由于Pd成本较高，减少其用量是促进DMFCs大规模商业化的关键因素之一。此外，甲醇（CH₃OH）可通过质子交换膜从阳极渗入阴极，从而在Pd基催化剂上发生氧化反应，产生混合电位并降低催化剂的实际效率。CH₃OH氧化过程不可避免会产生一氧化碳（CO）等中间体，CO会吸附在Pd基催化剂上，占据氧气（O₂）的活性位点。这种行为是不可逆的，会导致钯基催化剂“中毒”，进而增加DMFCs的应用成本。因此，开发具有高活性和抗毒化性能的廉价Pd基催化剂是一个亟待解决的问题。

基于此，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组报道了一锅两步法策略构建晶格应变的Pd@PdBiCo金属气凝胶（MAs）作为具有高活性和抗毒化性能的ORR催化剂。Pd@PdBiCo MAs/C在0.1 M KOH电解液中的质量活性（1.034 A mg_Pd^-1）分别是商业Pd/C（0.156 A mg_Pd^-1）和Pd MAs（0.351 A mg_Pd^-1）的6.6和2.9倍。在0.1 M KOH含CH₃OH或CO的电解液中，其依然维持原有的活性，展现出优异的抗毒化性能。进而在0.1 M KOH含0.3 M CH₃OH的电解液中进行8000次循环，Pd@PdBiCo MAs/C的半波电位和质量活性分别仅下降0.4%和8.3%。此外，Pd@PdBiCo MAs/C在气体扩散电极（GDE）测试中表现出高达152.6 mA cm^-2的电流密度，远高于Pd MAs/C（115.1 mA cm^-2）和商用Pd/C（63.9 mA cm^-2），展现了其应用于DMFC的潜力。机理研究证明，Pd@PdBiCo MAs中晶格应变、不同元素之间的强相互作用及丰富的缺陷协同促进其对O₂吸附和活化，抑制CH₃OH的氧化和CO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和张楠副教授。

论文链接：https://doi.org/10.1002/cssc.202301221