DSR論(lun)文解(jie)讀(du)：中科(ke)院長春應化(hua)所新(xin)型(xing)非鉑催化(hua)材料研(yan)究(jiu)成果

論(lun)文團(tuan)隊：中國(guo)科(ke)學院長春應用化(hua)學(xue)研(yan)究(jiu)所徐維(wei)林課(ke)題組

論(lun)文DIO：10.1002/aenm.202404266

論(lun)文期(qi)刊(kan)：《Advanced Energy Materials》

論(lun)文分(fen)區(qu)：JCR壹(yi)區(qu)

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在“碳達峰、碳中和(he)"時代(dai)背景下，發(fa)展清潔(jie)、高效(xiao)的(de)氫(qing)能(neng)源成為我國(guo)能(neng)源發(fa)展戰(zhan)略方(fang)向。堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池（AEMFC）具有低成本、非鉑催化(hua)材料的技(ji)術(shu)優(you)勢(shi)，有望替代(dai)傳(chuan)統(tong)鉑（Pt）催化(hua)材料的質子交(jiao)換膜(mo)燃料電池（PEMFC）。目前(qian)，非鉑催化(hua)材料的性能(neng)及(ji)壽(shou)命(ming)問(wen)題是(shi)影(ying)響(xiang)堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池規(gui)模(mo)應用的(de)重(zhong)要挑戰(zhan)。

近日，中國(guo)科(ke)學院長春應用化(hua)學(xue)研(yan)究(jiu)所徐維(wei)林課(ke)題組在國際(ji)期(qi)刊(kan)《Advanced Energy Materials》發(fa)表題為(wei)《Ru-MnO Heterostructure Clusters Toward Efficient and CO-Tolerant Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction》論(lun)文，研(yan)究(jiu)探討(tao)壹(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)的Ru-MnO異質(zhi)結構(gou)（稱為Ru-MnO/C）催化(hua)材料在堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池中的(de)反(fan)應表現(xian)，引發(fa)業(ye)界關(guan)註(zhu)。

在(zai)Ru-MnO/C異質(zhi)結構(gou)中，團(tuan)簇(cu)-團簇(cu)異質(zhi)結構(gou)界面通(tong)過(guo)從(cong)Ru到(dao)MnO的(de)電(dian)子轉(zhuan)移(yi)來改變(bian)Ru位(wei)點的電子結構(gou)，從(cong)而優化(hua)中間(jian)體(ti)在(zai)Ru位(wei)點上(shang)的吸(xi)附(fu)。實驗數據表明(ming)，該催化(hua)劑(ji)在堿(jian)性(xing)介(jie)質中表(biao)現(xian)出較(jiao)高(gao)的HOR催化(hua)活(huo)性，具有高交(jiao)換電(dian)流(liu)密度（3.71 mA cm⁻²）和(he)質量活(huo)性（0.78 A mg _Ru⁻¹）。同時，在(zai)H₂/O₂條件下，堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池的特(te)定峰值(zhi)功(gong)率(lv)密(mi)度（PPD）為(wei)7.0 W mg⁻¹_Ru，高於大(da)多數研(yan)究(jiu)報道(dao)的(de)催化(hua)劑(ji)材料。更重要的(de)是(shi)，該催化(hua)劑(ji)表現出較(jiao)高(gao)的穩定性(xing)和(he)CO耐受(shou)性。這(zhe)項論(lun)文研(yan)究(jiu)工作展示了(le)簇(cu)-簇(cu)異質(zhi)結構(gou)界面與(yu) HOR 性(xing)能(neng)之間(jian)的相關(guan)性(xing)，為(wei)今(jin)後開發(fa)新(xin)型(xing)非鉑催化(hua)劑(ji)材料提供了新(xin)的(de)思(si)路(lu)，具(ju)有重要(yao)指導(dao)意(yi)義。

· 背景介(jie)紹 ·

燃料電池是(shi)氫(qing)能(neng)商業(ye)應用的(de)重(zhong)要載體(ti)，能(neng)夠將氫(qing)氣(qi)與(yu)氧(yang)氣(qi)的(de)化(hua)學(xue)能(neng)直接(jie)轉化(hua)成電能(neng)。在目(mu)前(qian)的燃料電池技(ji)術(shu)路(lu)線(xian)中，與(yu)質(zhi)子交(jiao)換膜(mo)燃料電池相比，堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池具有低成本優(you)勢(shi)，可(ke)以使用(yong)非鉑催化(hua)劑(ji)材料進行氧(yang)還(hai)原(yuan)反(fan)應（ORR），堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池這壹(yi)優(you)勢被寄予厚(hou)望，認(ren)為(wei)有望替代(dai)成本昂(ang)貴的(de)質(zhi)子交(jiao)換膜(mo)燃料電池技(ji)術(shu)。

然(ran)而，HOR在堿(jian)性(xing)介(jie)質中的(de)反(fan)應動力學比在酸性(xing)環(huan)境中的(de)反(fan)應動力學低兩個(ge)數量級(ji)左(zuo)右，貴重(zhong)鉑基(ji)催化(hua)劑(ji)性能(neng)表現(xian)並(bing)不理(li)想(xiang)。在電(dian)化(hua)學(xue)反(fan)應中，壹(yi)氧(yang)化(hua)碳和(he)鉑族(zu)金(jin)屬（PGM）之間(jian)吸(xi)附(fu)性很(hen)強(qiang)，陽(yang)極催化(hua)劑(ji)會被粗(cu)氫(qing)中的(de)低濃(nong)度壹(yi)氧(yang)化(hua)碳毒害，而粗(cu)氫(qing)又(you)是(shi)重(zhong)要(yao)的(de)氫(qing)氣(qi)來源，工業(ye)生(sheng)產天然(ran)氣(qi)合(he)成甲醇(chun)工序(xu)就(jiu)可以產生(sheng)富(fu)余氫(qing)氣(qi)。因(yin)此，研(yan)究(jiu)探索(suo)具(ju)有高CO耐(nai)受性(xing)的高性(xing)能(neng)氫(qing)氧(yang)化(hua)反(fan)應的非鉑催化(hua)劑(ji)，助(zhu)力(li)堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池商用(yong)化(hua)發(fa)展，對(dui)於我國(guo)氫(qing)能(neng)產業(ye)發(fa)展、有著(zhe)非常(chang)重(zhong)要的(de)戰(zhan)略價值(zhi)。

· 圖文(wen)解(jie)析 ·

文章中采(cai)用(yong)了浸(jin)漬(zi)法(fa)和(he)熱解(jie)法(fa)合成了Ru-MnO/C異質(zhi)結構(gou)催化(hua)劑(ji)，並(bing)使用(yong)XRD、EDS、XPS、STEM、EELS、XAFS等(deng)相關(guan)表(biao)征(zheng)技(ji)術(shu)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)了詳細(xi)的表(biao)征。隨(sui)後(hou)利(li)用(yong)電化(hua)學(xue)測試評估(gu)了(le)催化(hua)劑(ji)的HOR活(huo)性、穩定性(xing)和(he)CO耐受(shou)性等(deng)。電化(hua)學(xue)測試結果下圖(tu)所示：

發(fa)現Ru-MnO/C的HOR極(ji)化(hua)曲(qu)線(xian)表(biao)現出急劇的電流(liu)響(xiang)應，非常(chang)接(jie)近能(neng)斯特極(ji)限。並(bing)且，在0到(dao)0.1 V的(de)範圍(wei)內，Ru-MnO/C的陽(yang)極電(dian)流密(mi)度高(gao)於其(qi)他催化(hua)劑(ji)，這表明與(yu)Ru/C、PtC_com和(he)RuC_com催化(hua)劑(ji)相比，所開發(fa)的催化(hua)劑(ji)具有更you越的氫(qing)氧(yang)化(hua)反(fan)應活(huo)性。為了定量評估(gu)它們的(de)反(fan)應速率(lv)和(he)活(huo)性，測試了不同催化(hua)劑(ji)在不同旋轉(zhuan)速(su)度下的(de)極化(hua)曲(qu)線(xian)（見(jian)圖3b）。隨(sui)著(zhe)旋(xuan)轉速度的(de)增加，由(you)於質(zhi)量傳(chuan)輸(shu)的改善，電(dian)流(liu)密(mi)度也(ye)相應增加。

為了驗證(zheng)所制備(bei)催化(hua)劑(ji)在陰離子交(jiao)換膜(mo)燃料電池（AEMFCs）中的(de)應用，進(jin)壹(yi)步采用(yong)了Ru-MnO/C作(zuo)為(wei)陽(yang)極催化(hua)劑(ji)（負(fu)載(zai)量為(wei)0.1 mg_Ru cm^-2）和(he)PtC_com作為(wei)陰極(ji)催化(hua)劑(ji)（負(fu)載(zai)量為(wei)0.4 mg_Pt cm^-2）來測試AEMFCs的性(xing)能(neng)，表現(xian)出顯(xian)著(zhu)的(de)穩定性(xing)和(he)CO耐受(shou)性。

· 總結展望 ·

近(jin)年來，學術(shu)界和(he)工業(ye)界對(dui)堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池（AEMFC）技(ji)術(shu)投(tou)入(ru)了ji高的關(guan)註(zhu)，希望擺(bai)脫(tuo)了傳(chuan)統(tong)的(de)銥(yi)/鉑貴金(jin)屬催化(hua)材料依賴(lai)，破(po)除氫(qing)能(neng)發(fa)展阻礙(ai)，實現低成本、高(gao)性(xing)能(neng)、規(gui)模(mo)化(hua)商(shang)業(ye)應用。中國(guo)科(ke)學院長春應用化(hua)學(xue)研(yan)究(jiu)所徐維(wei)林課(ke)題組這項基(ji)於新(xin)型(xing)Ru-MnO異質(zhi)結構(gou)催化(hua)材料的論(lun)文研(yan)究(jiu)，為(wei)我們拓(tuo)展了新(xin)的(de)思(si)路(lu)。

目(mu)前(qian)，堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池研(yan)究(jiu)正(zheng)處(chu)於高(gao)速發(fa)展的階段(duan)，國內外已有很多(duo)科研(yan)人員致力於新(xin)型(xing)非鉑催化(hua)劑(ji)領(ling)域(yu)，在(zai)電(dian)催化(hua)材料方(fang)面各(ge)種(zhong)探索(suo)突(tu)破(po)，我們有理(li)由(you)相信，堿(jian)性(xing)交(jiao)換膜(mo)燃料電池研(yan)究(jiu)會(hui)迎來重大突破(po)！

· 儀器(qi)簡介(jie) ·

該項(xiang)論(lun)文研(yan)究(jiu)工作使(shi)用(yong)理(li)化(hua)（香(xiang)港）有限公司(si)提供的DSR數字型(xing)旋轉(zhuan)圓盤圓環(huan)電極(ji)裝(zhuang)置進(jin)行實驗測(ce)試。

DSR數字型(xing)旋轉(zhuan)圓盤圓環(huan)電極(ji)裝(zhuang)置具(ju)有“數字型(xing)、壹體(ti)化(hua)、更(geng)靜(jing)音"的(de)技(ji)術(shu)特(te)點(dian)，是(shi)新(xin)壹(yi)代(dai)RRDE儀器(qi)，可與(yu)主流(liu)電化(hua)學(xue)工作站(zhan)搭(da)配(pei)使用(yong)，配件(jian)耗(hao)材全(quan)面兼容，已在國(guo)內多所高校(xiao)實驗室(shi)交(jiao)付(fu)使用(yong)，助(zhu)力(li)老(lao)師同學們做(zuo)出更(geng)漂(piao)亮(liang)的譜圖效(xiao)果，客(ke)戶體(ti)驗ji佳。

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