迄今為止,，大多數(shù)Pt基催化劑在堿性氫氧化反應(yīng)（HOR）中都面臨著CO中毒問題，導(dǎo)致催化劑性能快速衰減,。為了解決這一挑戰(zhàn),，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部氫電能源材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型Pt單原子催化劑（PtSAMo2C-NC）,，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計顯著增強(qiáng)了催化劑的CO耐受性與電催化性能,。這項(xiàng)研究為開發(fā)高效,、穩(wěn)定且抗CO中毒的HOR催化劑提供了新的思路,。
在過去的幾十年里,，Pt基催化劑因其優(yōu)異的氫氧化反應(yīng)活性而被廣泛應(yīng)用于燃料電池領(lǐng)域,。然而,，在實(shí)際運(yùn)行中，由于氫氣中不可避免地存在ppm級別的CO雜質(zhì),，Pt位點(diǎn)容易被CO毒化,，導(dǎo)致活性顯著下降。同時,，Pt與傳統(tǒng)碳載體之間的弱相互作用容易引發(fā)載體腐蝕,，進(jìn)一步降低催化劑的穩(wěn)定性。盡管通過摻雜,、合金化以及結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在一定程度上緩解Pt的CO毒化,，但在實(shí)際工況下仍難以實(shí)現(xiàn)長效穩(wěn)定的催化性能。
為此,，研究團(tuán)隊(duì)采用金屬有機(jī)框架（MOF）衍生策略,，通過高溫?zé)峤庠?/span>Mo2C納米顆粒表面錨定Pt單原子，并將其嵌入氮摻雜多孔碳基體中,。該催化劑通過以下幾方面顯著增強(qiáng)了CO耐受性和催化穩(wěn)定性,。
①分子捕獲效應(yīng)
Mo2C作為載體，表現(xiàn)出比Pt更強(qiáng)的CO吸附能力,。在反應(yīng)過程中,，Mo2C優(yōu)先捕獲CO分子，從而保護(hù)Pt活性位點(diǎn)免受CO毒化,，有效提高催化劑在CO環(huán)境下的穩(wěn)定性,。
②空心蛋黃-蛋殼結(jié)構(gòu)
通過Zn和Mo在高溫?zé)峤膺^程中的成分?jǐn)U散差異，催化劑形成了獨(dú)特的空心蛋黃-蛋殼（yolk-shell）結(jié)構(gòu),。這種結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了材料的電子傳輸能力和電化學(xué)穩(wěn)定性,，有效提升了催化劑在高電流密度下的穩(wěn)定性。
這項(xiàng)研究提出了一種基于MOF衍生Mo2C的催化劑設(shè)計策略,，通過引入具有強(qiáng)CO吸附能力的載體,，顯著提升了催化劑的CO耐受性與電催化穩(wěn)定性。這一設(shè)計思路為開發(fā)新一代高效,、穩(wěn)定且耐CO毒化的電催化劑提供了新的指導(dǎo),，有望在氫燃料電池及其他能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
HOR相關(guān)測試
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,，在50 mV（vs. RHE）電位下,，PtSAMo2C-NC的質(zhì)量歸一化活性高達(dá)2.15 A/mg Pt，是商業(yè)40% Pt/C催化劑的18倍,。此外，在CO環(huán)境下,，該催化劑表現(xiàn)出卓越的抗毒化能力,，有效延長了催化劑壽命,。
DFT機(jī)理研究
密度泛函理論（DFT）計算結(jié)果表明，Mo2C與Pt之間的強(qiáng)電子相互作用顯著降低了Pt的電子密度,，并使Pt的d帶中心遠(yuǎn)離費(fèi)米能級,。這一效應(yīng)減弱了Pt對CO的吸附強(qiáng)度，同時優(yōu)化了Pt位點(diǎn)對H和OH的吸附能,，從而提高了催化劑的HOR性能,。
上述成果以“Enhancing CO Tolerance via Molecular Trapping Effect: Single-Atom Pt Anchored on Mo2C for Efficient Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction”為題，發(fā)表在國際知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（IF: 9.4）上,。齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料學(xué)部2023級碩士研究生楊曉坤為文章的第一作者,，閆理停副教授和趙學(xué)波教授為文章的共同通訊作者。
本研究得到國家自然科學(xué)基金,、山東省高等學(xué)校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計劃,、山東省自然科學(xué)基金、濟(jì)南市“新高校20條”,、齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）高層次人才啟動基金等項(xiàng)目支持,。