提高铂基催化剂在阳极氢氧化反应(HOR)中的活性和抗CO中毒性,对质子交换膜燃料电池的发展提出了重大挑战。
有鉴于此,黑龙江大学付宏刚教授、王蕾、新加坡南洋理工大学陈晓东院士、厦门大学王宇成副教授等报道利用理论计算表明氮化钨(WN)可以复杂地调节Pt的电子结构。这种调节优化了氢吸附,显著提高了HOR活性,同时削弱了CO吸附,显著增强了对CO中毒的抵抗力。
通过合理设计和筛选,合成了一种高效催化剂,这种催化剂为负载在小尺寸WN/还原石墨氧化物上的最小Pt含量(仅1.4 wt%)(Pt@WN/rGO)。其酸性HOR质量活性达到3060 a gPt-1,是商业20 wt%Pt/C催化剂的11.8倍。这种催化剂能够在1000ppm的CO存在下,保持高活性,性能保持98.2%,表明出色的抗毒性。
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同步辐射操作分析表明,氮化钨WN在电化学反应过程能够协调Pt的电子态,优化氢吸附/解吸动力学。因此CO脱附(CO stripping)峰值电位较低。和Pt/rGO对比表明,Pt@WN/rGO的WN减轻了CO的竞争吸附,提高了Pt的氢吸附位点可用性。协同效应显著加速了HOR活性,提高了抗中毒效果。组装为PEMFC能够对H2/CO混合物的10~1000 ppm的CO浓度表现耐受性。
参考文献
Unlocking Superior Hydrogen Oxidation and CO Poisoning Resistance on Pt Enabled by Tungsten Nitride-Mediated Electronic Modulation, J. Am. Chem. Soc. 2024
DOI: 10.1021/jacs.4c12720
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c12720