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(wèn)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(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)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(jí)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(shí)，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(guò)摻雜、合金化以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)Zn和Mo在高溫?zé)峤膺^(guò)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(jì)策略，通過(guò)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(jì)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(cè)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(zhǎng)了催化劑壽命,。
DFT機(jī)理研究
密度泛函理論（DFT）計(jì)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(jí),。這一效應(yīng)減弱了Pt對(duì)CO的吸附強(qiáng)度,，同時(shí)優(yōu)化了Pt位點(diǎn)對(duì)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(guó)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(jí)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(guó)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(jì)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(dòng)基金等項(xiàng)目支持,。