《化學(xué)通訊》刊發(fā)：新型直接燃料電池催化劑可將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r(jià)值產(chǎn)物

記者從中科院合肥研究院了解到，該院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部環(huán)境與能源納米材料中心，在以有機(jī)物5-羥甲基糠醛作為燃料的燃料電池研究中取得新進(jìn)展，他們合成了負(fù)載在炭黑上的鉑與硫化鎳納米顆粒雙功能催化劑，不僅可以催化陽極燃料5-羥甲基糠醛(HMF)氧化為2,5-呋喃二甲酸(FDCA)，還能驅(qū)動(dòng)陰極氧還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在輸出能量的同時(shí)將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r(jià)值的產(chǎn)物。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《化學(xué)通訊》上。

FDCA有望在化工生產(chǎn)中取代對苯二甲酸合成聚合物，是一種重要的近市場化工產(chǎn)品，主要通過熱催化、光催化、電催化等方式氧化HMF得到。其中電化學(xué)策略可以與電化學(xué)析氫反應(yīng)(HER)或電催化有機(jī)氫化合成相結(jié)合，產(chǎn)生額外的高附加值產(chǎn)品，同時(shí)提高能量轉(zhuǎn)換效率。而可持續(xù)和更加節(jié)能的電催化FDCA合成工藝一直是燃料電池研究中備受關(guān)注的熱點(diǎn)。

燃料電池作為一種可持續(xù)的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，因其能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的研究和發(fā)展。燃料電池技術(shù)包含了兩個(gè)重要的化學(xué)反應(yīng)，即陽極的燃料氧化反應(yīng)以及陰極氧氣還原反應(yīng)(ORR)，都需要利用高效且價(jià)格相對低廉的催化劑來降低反應(yīng)能壘，進(jìn)而提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

基于此，科研人員設(shè)計(jì)了氧還原與有機(jī)合成相結(jié)合的直接HMF燃料電池形式，并采用浸漬、熏硫與煅燒的策略合成了雙功能PtNiSx催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，鉑與硫化鎳間存在著界面，且納米顆粒之間密切的相互作用與界面效應(yīng)使得該催化劑具有良好的電化學(xué)ORR和HMF氧化催化活性。此外，硫化鎳的引入有利于ORR四電子反應(yīng)過程進(jìn)行，硫元素也能有效防止金屬顆粒的團(tuán)聚。

測試結(jié)果顯示，該催化劑具有優(yōu)異性能，電化學(xué)活性面積高于商業(yè)鉑碳催化劑，且其中鉑的負(fù)載量遠(yuǎn)低于商業(yè)鉑碳。加入HMF后的燃料電池在60℃時(shí)，幾乎完全轉(zhuǎn)化為FDCA，轉(zhuǎn)化率接近98%，選擇性達(dá)到100%。 　　 　 (吳長鋒)