物构所AFM: 制备三功能金属间化合物，构建酸/碱电池驱动甘油转化耦合制氢

催化开天地 · 公众号 · · 2024-07-11 08:21

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甘油作为一种生物质衍生材料和生物柴油生产的副产品，是一种超过市场需求的过剩资源。为了充分利用其潜力，研究人员致力于研究其在电化学能量储存和转换方面的适用性。一方面，甘油具有多元醇结构、近似汽油的能量密度、成本效益和简单的储存等优点，使其成为直接甘油燃料电池(DGFC)的理想燃料；另一方面，由于理论氧化电位较低，在水电解与析氢反应(HER)配对的制氢过程中，甘油氧化(GOR)提供了一个有希望的OER替代方案。然而，DGFCs和GOR辅助水电解系统中转化效率的提高是一项重大挑战，主要集中在为这些复杂的反应开发有效的电催化剂和优化设备结构。

近日， 中国科学院福建物构所温珍海 和 王根香 等报道了一种N掺杂碳(NC)负载的金属间化合物PtZn催化剂(PtZn-IMC@NC)的三官能度电催化剂，其具有良好的甘油氧化反应(GOR)、氧还原反应(ORR)和析氢反应(HER)电催化性能。

具体而言，在1.0 M KOH+0.5 M甘油溶液中，PtZn-IMC@NC的峰值GOR电流为1477 mA mg _Pt ⁻¹ ；在0.5 M H ₂ SO ₄ 溶液中，该催化剂的ORR半波电位为0.847 V，并且在该溶液中达到10 mA cm ⁻² 电流密度所需的HER过电位仅为37 mV。此外，PtZn-IMC@NC对于GOR、HER和ORR还表现出优异的稳定性。

以PtZn-IMC@NC为阳极和阴极组装了酸/碱直接甘油燃料电池(AA-DGFC)和酸/碱甘油-氢电解池(AA-GHEC)。结果显示，AA-DGFC在空气条件下的功率密度为257.0 mW cm ⁻² ；当阴极ORR供应纯氧时，峰值功率密度达到286.8 mW cm ⁻² 。同时，该电池在室温下以10 mA cm ⁻² 的恒定电流密度连续放电168小时，电压最初从约1.45 V降至约0.95 V。对于AA-GHEC，达到100mA cm ⁻² 的电流密度施加电压仅为0.47 V，比水电解(1.08 V)低0.61 V。在连续电解168小时过程中，AA-GHEC中甲酸盐的平均产率达到930 μmol h ⁻¹ cm ⁻² ，H ₂ 产率为1700 μmol h ⁻¹ cm ⁻² 。

更重要的是，基于PtZn-IMC@NC电催化剂能够建立一种自供电的集成电化学装置，利用AA-DGFC驱动AA-GHEC建立一个协同一体化装置，促进了甲酸盐和氢双重增值产品的自主生产。