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.
领取专属 10元无门槛券
私享最新 技术干货