《ACS Applied Energy Materials》：界面工程增强氧还原反应抗毒化性

Interface Engineering for the Enhanced Antipoisoning Property of Oxygen Reduction Reaction

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

ACS Appl. Energy Mater. (2023). DOI: 10.1021/acsaem.3c02306

直接甲醇（CH₃OH）燃料电池（DMFCs）是一种将CH₃OH的化学能转化为电能的装置。因其具有高能量密度和功率密度，成为便携式电子设备和燃料电池汽车的理想电源之一。氧还原反应（ORR）作为DMFCs的阴极反应，对器件整体的性能起着至关重要的作用。目前，钯（Pd）基材料作为高性能ORR电催化剂广泛应用于碱性环境中。然而，阳极的CH₃OH由于浓度差会通过质子交换膜到达阴极，在Pd基催化剂上进行CH₃OH氧化反应，浪费燃料产生混合电位。CH₃OH氧化反应过程不可避免会产生一氧化碳（CO）中间体，CO吸附在催化剂表面，占据氧气（O₂）的活性位点，造成催化剂中毒。上述行为会严重降低Pd基催化剂的使用寿命，导致实际工作效率远低于理论预期。因此，开发高催化活性和抗毒化性兼备的Pd基ORR催化剂意义重大，且具有挑战。

基于此，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组采用了冷冻限域策略，开发了具有丰富晶相-非晶相界面的Pd-TeO_x-BiO_x气凝胶新材料，实现了高活性和抗毒化性兼得。在ORR中，Pd-TeO_x-BiO_x气凝胶在毒化环境中展现了的令人满意的质量活性（0.15 A mg_Pd^-1），远优于Pd-TeO_x/C，Pd-BiO_x/C，Pd/C和商业Pd/C。此外，其在毒化环境下经过10000次循环稳定性试验后，基本保持了初始的活性，表现出优异的稳定性和抗毒化性能。在气体扩散电极测试中，其电流密度为163.5 mA cm^-2，而Pd气凝胶和商业Pd/C催化剂的电流密度仅为108.4 mA cm^-2和51.6 mA cm^-2。机理研究表明，晶态-非晶态界面优化了Pd-TeO_x-BiO_x气凝胶的电子结构，从而增强了对O₂的吸附和活化，同时抑制了CH₃OH和CO的吸附。

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://pubs.acs.org/10.1021/acsaem.3c02306