中科院上硅所，施剑林院士，最新Chem！

成果简介

2024年10月21日和22日，中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林院士研究员在Chem（IF=19.1）上发表了最新成果，即“Borohydride oxidation-water reduction fuel cells advanced by local hydroxyl enrichment-inhibited borohydride hydrolysis on Cu(0) sites”下面，对这篇成果进行简要的介绍！

由于阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢，以及硼氢化钠（NaBH4）竞争性水解反应导致阳极硼氢化氧化反应（BOR）选择性低，传统的直接硼氢化燃料电池（DBFCs）的输出功率密度和效率仍不足以满足工业应用的需求。

基于此，中科院上海硅酸盐研究所施剑林院士和崔香枝研究员（共同通讯作者）等人报道了通过界面工程，在铜（Cu）泡沫上生长的Cu掺杂CoP纳米片阵列（Cu-CoP/CF），作为一种优异的耐酸碱催化剂。该催化剂具有优异的酸性HER催化活性，在电流密度为10 mAcm-2下过电位为39 mV，在0.5 M H2SO4中具有至少700 h的超长稳定性。更重要的是，它表现出特别高的BOR性能，在1000 mAcm-2的电流密度下具有-49 mV的电位，并且在碱性BOR条件下，NaBH4在Cu-CoP/CF中原位将掺杂的Cu(I)部分还原为Cu(0)，并具有超过260 h的长时间稳定性。

具体而言，原位形成的Cu(0)可以强烈吸附附近的OH-，导致催化剂表面和电解质之间的局部环境中OH-浓度大幅增加，有效地抑制H*的吸附，从而阻止H2的产生。因此，质子耦合电子转移（PCET）过程极大地促进了BOR过程中电子的产生，从而大大提高了0.8 V下的BOR选择性，达到85%，比不含Cu的CoP高23%。通过将碱性BOR与阴极HER偶联组装的BOR-HER燃料电池（BHFC）输出的峰值功率密度为114 mW cm-2，明显高于以ORR为阴极的传统BHFC（50 mW cm-2），同时阴极析出氢气的速率至少为40 mol h-1 m-2。

图文导读

图1. Cu-CoP/CF和参考样品的形态和结构表征

图2. Cu-CoP/CF在N2饱和0.5M H2SO4中电催化HER性能

图3. Cu-CoP/CF在1.0 M NaOH+0.2 M NaBH4中电催化BOR性能

图4. Cu-CoP/CF的电催化性能及机理研究

图5. Cu-CoP/CF的机理研究

图6. Cu-CoP/CF作为酸性HER阴极和BOR阳极的BHFC性能

总结展望

总之，作者提出了利用酸性HER代替动力学慢速ORR耦合BOR来制备BHFC的一种很有前途的策略。所制备的Cu-CoP/CF纳米片催化剂表现出优异的HER性能，在酸性电解液中稳定性超过700 h，在测试结束260 h时，超低电位为92 mV，达到1000 mAcm-2的超高电流密度，无电流密度衰减。

由于NaBH4通过化学还原还原部分掺杂的Cu(l)，Cu(0)物种在Cu-CoP/CF表面原位形成。在催化剂-电解液界面处对OH-进行吸附和高浓度富集，从而抑制NaBH4的水解，极大提高了BOR的选择性。

此外，在两个电极均配置Cu-CoP/CF的BHFC可输出114 mW cm-2的峰值功率密度，同时阴极析出氢气的速率至少为40 mol h-1 m-2。本工作通过设计高选择性硼氢化物催化剂，实现高效硼氢化物燃料电池的同步发电和制氢提供了一个策略。

文献信息

Borohydride oxidation-water reduction fuel cells advanced by local hydroxyl enrichment-inhibited borohydride hydrolysis on Cu(0) sites. Chem, 2024, DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.09.030.