氢能及其相关技术对于应对气候变化和满足日益增长的能源需求至关重要。尽管质子交换膜燃料电池(PEMFC)目前商业上相对成熟，但它尚未克服对铂(Pt)基催化剂的依赖，阻碍了氢能经济的发展。阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)由于碱性电解质腐蚀性小，可利用廉价的非贵金属阴极催化剂和双极板而受到了广泛关注。然而其阳极上发生的碱性氢氧化反应(HOR)在动力学上比在酸性介质中慢2-3个数量级，并且催化剂会被工业氢气中存在的痕量CO毒化。因此开发高活性、耐CO毒化和长时稳定的碱性非Pt基HOR催化剂是拓展AEMFC应用的关键。
鉴于此，西北工业大学韩云虎教授联合奥克兰大学助理教授王子运、中国科学院上海高等研究院助理研究员甘涛合作，结合了稀合金化与单原子改性两种策略，针对价格低廉、拥有类Pt本征活性的金属钌(Ru)展开研究，构建了负载在碳纳米管上的Ru/Co单原子与RuCo稀合金复合催化剂(RuCo)NC+SAs/N-CNT。所制备的催化剂在碱性环境下表现出优异的HOR活性、抗CO毒性和长时稳定性。
通过高分辨透射电镜和球差电镜结合X射线衍射、同步辐射X射线吸收精细结构光谱和X射线光电子能谱证明了Ru/Co单原子与RuCo稀合金颗粒共同分布在碳纳米管载体上。
电化学测试表明，(RuCo)NC+SAs/N-CNT拥有优异的碱性HOR性能，其质量活性高达7.35 A mgRu-1，在1000 ppm CO中能够维持高活性，在旋转圆盘上运行10小时后电流密度仅下降14.7%。值得注意的是，当催化剂应用于AEMFC阳极时，以较低的贵金属载量(0.1 mgRu cm-2)获得了优秀的峰值功率密度(1.98 W cm-2)，表明(RuCo)NC+SAs/N-CNT是目前最优异的钌基碱性HOR催化剂之一。
实验结合DFT计算表明，稀合金化与单原子修饰协同优化了催化剂对*H和*OH的吸附，从而提高了催化剂的碱性HOR性能。并且证实了反应主要发生在合金位点上，单原子的引入进一步提高了合金位点的活性。此外，在催化剂表面*CO吸附被大幅减弱，从*CO到CO2的转化效率显著提高，这是其优异抗CO毒性的来源。
该工作进一步证明了*H、*OH和*CO在催化剂表面的吸附对其催化性能有较大程度的影响，应对其进行合理调控，也为今后进一步开发碱性HOR电催化剂提供了借鉴。
论文信息
Dilute RuCo Alloy Synergizing Single Ru and Co Atoms as Efficient and CO-Resistant Anode Catalyst for Anion Exchange Membrane Fuel Cells
Zhibo Cui, Zhanghao Ren, Dr. Chao Ma, Bowen Chen, Guanzhen Chen, Ruihu Lu, Dr. Wei Zhu, Dr. Tao Gan, Prof. Ziyun Wang, Prof. Zhongbin Zhuang, Prof. Yunhu Han
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202404761
点击左下角 “ 阅读原文 ” ，可直达阅读该论文原文。
Angewandte Chemie International Edition
《德国应用化学》(Angewandte Chemie)创刊于1888年，是德国化学学会（GDCh）的官方期刊并由Wiley–VCH出版。作为化学领域的权威期刊，《德国应用化学》涵盖了化学研究的各个领域，刊发包括新闻、综述、观点、通讯、研究论文等在内的各种内容。
更多精选文章
Angew. Chem. ：BiOBr材料表面缺陷构筑促进光催化合成苯甲腈
