直接乙醇燃料电池阳极催化剂的“一剂良药”

由于日益严重的能源和环境问题,新一代绿色能源的研究与推广变得越来越紧迫。乙醇作为液体燃料具有能量密度高、便于储存和运输、来源广泛、绿色环保等优点。因此直接乙醇燃料电池吸引了广泛关注,相关研究方兴未艾。但是,目前广泛应用于直接乙醇燃料电池的铂基或钯基阳极催化剂极易被毒化、稳定性十分不理想。乙醇催化氧化的过程中也更趋向生成乙酸/乙醛等的C2路径,而非充分氧化成二氧化碳的C1路径,仅能释放小部分能量。这些因素制约了直接乙醇燃料电池的发展和应用。

到目前为止,解决这些问题的主要思路是把铂或钯合金化,通过改变它们的电子构型,增强它们的抗毒化能力;或者是制备铂或钯与其他过渡金属氧化物的复合材料,利用协同效应,促进吸附在贵金属表面的中间产物进一步氧化。但是,相应乙醇催化氧化稳定性的提升仍然十分有限。近期,苏州大学李彦光教授团队通过简单的两步法合成的钯/氢氧化镍/石墨烯(Pd/Ni(OH)2/rGO)复合材料,首次把氢氧化物引入直接乙醇燃料电池阳极催化剂的设计中。由于Ni(OH)2在低电位下能够有效地促进水解离,产生OH基团,促进相邻吸附在贵金属表面中间产物(如CO)的氧化,复合催化剂表现出优异的催化活性和突出的稳定性。乙醇催化氧化的比电流密度高达1546 mA mg-1Pd,而且经过40000个连续循环后,催化电流并没有明显的衰减。恒电压的测试也表明材料具有优异的催化稳定性:在经过20000 秒长时间测试之后,比电流仍然保持在440 mA mg-1Pd左右,而且能过通过简单的电化学方法实现催化活性完全再生。对乙醇催化氧化产物定量分析表明,Pd/Ni(OH)2/rGO复合材料的C2路径产物(74%)远低于商业Pd催化剂(98%)。此外,作者还利过原位红外进一步对Pd/Ni(OH)2/rGO催化乙醇氧化过程的中间产物进行跟踪分析,并没有发现常见的CO吸附信号,表明了复合材料具有令人惊奇的抗CO毒化能力。

该Pd/Ni(OH)2/rGO复合材料部分解决了乙醇电催化氧化中的稳定性快速衰减的问题,显著促进了乙醇的充分氧化,是直接乙醇燃料电池阳极催化剂的“一剂良药”。

这一成果近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201703057)上,文章的第一作者是苏州大学博士研究生黄文静和复旦大学博士研究生马宪印。

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