施剑林院士/崔香枝，新发Chem！硼氢化物氧化-水还原燃料电池

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-10-27 08:18

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由于阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢，以及硼氢化钠（NaBH ₄ ）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 H ₂ SO ₄ 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，NaBH ₄ 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H ₂ 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1-1. Cu-CoP/CF和参考样品的形态和结构表征

图1-2. Cu-CoP/CF在N ₂ 饱和0.5M H ₂ SO ₄ 中电催化HER性能

图1-3. Cu-CoP/CF在1.0 M NaOH+0.2 M NaBH ₄ 中电催化BOR性能

图1-4. Cu-CoP/CF的电催化性能及机理研究

图1-5. Cu-CoP/CF的机理研究

图1-6. 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NaBH ₄ 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NaBH ₄ 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

施剑林院士/崔香枝，新发Chem！硼氢化物氧化-水还原燃料电池

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