单原子分散的Ir-N-C燃料电池阳极抗中毒催化剂

题目：单原子分散的Ir-N-C燃料电池阳极抗中毒催化剂

作者：王 显，杨小龙，马荣鹏，刘长鹏，葛君杰 * ，邢 巍 *

文章链接：

http://yyhx.ciac.jl.cn/CN/10.19894/j.issn.1000-0518.210477

DOI：10.19894/j.issn.1000-0518.210477

直接甲酸燃料电池（DFAFC）理论开路高、安全性好、对全氟磺酸聚四氟乙烯共聚物（Nafion）渗透率低，被认为是最理想的燃料。1973年，Parsons等提出甲酸电氧化（FAOR）反应的双途径机制以来，其间接途径产生的毒化物种CO开始被人们广泛认知。由于传统的DFAFC中阳极催化剂多为Pd基催化剂，CO在Pd金属上的强吸附会导致活性位点被牢牢占据，进而造成电池性能的大幅下降。阳极的毒化问题也成为了目前制约DFAFC发展的主要因素。

近年来，随着单原子催化剂领域的兴起和发展，金属-氮-碳型单原子催化剂的应用范围被拓展到甲酸电氧化领域。2020年，李亚栋等报道了2种原子级分散的Ir-N-C催化剂和Rh-N-C催化剂，二者对于FAOR反应具备超高的质量比活性，并且相对于传统的Pd基催化剂，其稳定性有了突破性的提升。但是，目前单原子催化剂的制备大多数流程复杂、成本高昂且难以大批量制备。基于此，本文探索了一种可大规模制备的单原子分散的Ir-N-C甲酸电氧化催化剂，该Ir-N-C体系不仅具有高甲酸电氧化能力，还具有强阳极抗中毒特性，这为推动直接甲酸燃料电池的实用化带来了十分积极的意义。

1.以商业炭黑作为碳源，以2-甲基咪唑和乙酰丙酮铱作为氮源和铱源，成功制备了原子级分散的Ir-N-C催化剂。

2.该Ir-N-C对甲酸具有良好的电催化氧化性能，其质量比活性为商业 Pd/C 的 48倍。组装了燃料电池单电池进行测试，结果显示，Ir-N-C催化剂在单电池中的质量比功率密度高达281 mW/mg，较商业Pd/C催化剂提升了3倍。同时，Ir-N-C对 CO毒化的耐受性大大增强，经过 14000 s的长期测试后，其活性仅衰减 68%，优于商业 Pd/C催化剂（衰减85%），并且，该催化剂能够简单有效的大批量制备，为单原子催化剂的大批量制备提供了新思路。

图1 Ir-N-C催化剂制备工艺流程图

图2（A）Ir-N-C 透射电子显微镜图片；（B）Ir-N-C 像差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图片；（C－F）Ir-N-C中各元素的能量色散谱元素映射    

图 3 （A）Ir-N-C 的 CV 曲线，电解液为 0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH 溶液，扫速为 20 mV/s。（B）商业Pd/C 的 CV 曲线，电解液为 0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH 溶液，扫速为 20 mV/s。（C）Ir-C的 CV 曲线，电解液为 0. 1 mol/L HClO₄ 溶液，扫速为 20 mV/s。（D）Ir-C 的 CV 曲线，电解液为 0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH溶液，扫速为20 mV/s

图4 不同阳极催化剂在30 ℃时的DFAFC电池性能图

图5 Ir-N-C 和Pd/C催化剂的稳定性测试对比

图 6 （A）Ir-N-C 的 i-t 曲线，电解液为 0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH 溶液，扫速为 20 mV/s。（B）商业Pd/C的i-t曲线，电解液为0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH溶液，扫速为20 mV/s

邢巍

邢巍，理学博士，中国科学院长春应用化学研究所，研究员，博士生导师，二级教授，先进化学电源实验室主任，吉林省低碳化学电源重点实验室主任,吉林省化学电源工程实验室主任。中国化学会电化学专业委员会副主任委员、国际电化学会会员，《电化学》编委。作为访问学者先后在日本大阪工业研究所、丹麦技术大学、加拿大NRC燃料电池研究所进行研究。研究兴趣为可再生资源制备氢能与燃料电池，包括聚合物电解质（SPE）能源系统，质子交换膜燃料电池(PEMFC，含直接醇类燃料电池，DMFC)、小分子催化分解制氢、闲置风电电解水制氢技术，先后主持过数十项国家及省部级科研项目，如：“十二五”863主题项目“先进燃料电池发电技术”首席专家；科技部对俄专项“直接甲醇燃料电池关键技术”负责人；科学院纳米先导项目中“水电解低铂催化剂” 课题负责人；主持基金委重点基金项目“直接甲醇燃料电池基础研究”（2004-2008）、“多组分协同团簇基新型PEMFC催化剂研究”（2017-2021）及多项面上基金；吉林省组织部重大科技项目研发人才团队带头人等。多次参加中组部、科技部、基金委等国家级项目的会评工作。 

　　多年来系统地开展了SPE相关的电催化反应过程与机理、有机小分子电极动力学过程途径和相关电子转移理论基础、关键材料批量制备技术、核心部件电解质膜/催化电极复合体制备工艺、反应流场内多尺度传递优化、燃料电池堆整体结构与组装、发电系统集成与控制等关键问题和技术；目前DMFC发电电源系统已达到实用水平；在国际上率先实现小分子异相常温催化分解制氢。作为通讯作者已在包括Nature Commun.，Angew. Chem. Int. Edit.，Adv. Mater.，Energy. Environ. Sci., Nano Energy, Chem.Commun.,等发表SCI论文>300篇，他引>8000次，H-index为48，多篇被选为高被引论文，专利50余项。多个著名杂志审稿人，如Nature Commun.，JACS，Angew.Chem.Int.Edit., Nano Energy, EES等,主编和参与出版了多部专著，如：.主编由Elsevier 出版的专著“Rotating Electrode Method and Reduction Electrocatalysts”, Editors：Wei Xing, Geping Yin and Jiujun Zhang, 2014。多次在全国电化学大会做大会报告及国际电化学年会特邀报告。 

研究兴趣：围绕质子交换膜燃料电池(PEMFC，包括直接醇类燃料电池，DAFC)，系统地开展相关的电催化反应过程与机理、有机小分子电极动力学过程途径和相关电子转移理论基础、关键材料批量制备技术、核心部件电解质膜/催化电极复合体（MEA）制备工艺、反应流场内多尺度传递优化、燃料电池堆整体结构与组装、发电系统集成与控制等关键问题和技术、生物燃料电池、电化学金属表面处理技术等。

文章来源：应用化学