題目：單原子分散的Ir-N-C燃料電池陽極抗中毒催化劑

作者：王 顯，楊小龍，馬榮鵬，劉長鵬，葛君杰 * ，邢 巍 *

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http://yyhx.ciac.jl.cn/CN/10.19894/j.issn.1000-0518.210477

DOI：10.19894/j.issn.1000-0518.210477

直接甲酸燃料電池（DFAFC）理論開路高、安全性好、對全氟磺酸聚四氟乙烯共聚物（Nafion）滲透率低，被認為是最理想的燃料。1973年，Parsons等提出甲酸電氧化（FAOR）反應的雙途徑機制以來，其間接途徑產生的毒化物種CO開始被人們廣泛認知。由于傳統的DFAFC中陽極催化劑多為Pd基催化劑，CO在Pd金屬上的強吸附會導致活性位點被牢牢占據，進而造成電池性能的大幅下降。陽極的毒化問題也成為了目前制約DFAFC發展的主要因素。

近年來，隨著單原子催化劑領域的興起和發展，金屬-氮-碳型單原子催化劑的應用范圍被拓展到甲酸電氧化領域。2020年，李亞棟等報道了2種原子級分散的Ir-N-C催化劑和Rh-N-C催化劑，二者對于FAOR反應具備超高的質量比活性，并且相對于傳統的Pd基催化劑，其穩定性有了突破性的提升。但是，目前單原子催化劑的制備大多數流程復雜、成本高昂且難以大批量制備。基于此，本文探索了一種可大規模制備的單原子分散的Ir-N-C甲酸電氧化催化劑，該Ir-N-C體系不僅具有高甲酸電氧化能力，還具有強陽極抗中毒特性，這為推動直接甲酸燃料電池的實用化帶來了十分積極的意義。

1.以商業炭黑作為碳源，以2-甲基咪唑和乙酰丙酮銥作為氮源和銥源，成功制備了原子級分散的Ir-N-C催化劑。

2.該Ir-N-C對甲酸具有良好的電催化氧化性能，其質量比活性為商業 Pd/C 的 48倍。組裝了燃料電池單電池進行測試，結果顯示，Ir-N-C催化劑在單電池中的質量比功率密度高達281 mW/mg，較商業Pd/C催化劑提升了3倍。同時，Ir-N-C對 CO毒化的耐受性大大增強，經過 14000 s的長期測試后，其活性僅衰減 68%，優于商業 Pd/C催化劑（衰減85%），并且，該催化劑能夠簡單有效的大批量制備，為單原子催化劑的大批量制備提供了新思路。

圖1 Ir-N-C催化劑制備工藝流程圖

圖2（A）Ir-N-C 透射電子顯微鏡圖片；（B）Ir-N-C 像差校正高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡圖片；（C－F）Ir-N-C中各元素的能量色散譜元素映射    

圖 3 （A）Ir-N-C 的 CV 曲線，電解液為 0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH 溶液，掃速為 20 mV/s。（B）商業Pd/C 的 CV 曲線，電解液為 0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH 溶液，掃速為 20 mV/s。（C）Ir-C的 CV 曲線，電解液為 0. 1 mol/L HClO₄ 溶液，掃速為 20 mV/s。（D）Ir-C 的 CV 曲線，電解液為 0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH溶液，掃速為20 mV/s

圖4 不同陽極催化劑在30 ℃時的DFAFC電池性能圖

圖5 Ir-N-C 和Pd/C催化劑的穩定性測試對比

圖 6 （A）Ir-N-C 的 i-t 曲線，電解液為 0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH 溶液，掃速為 20 mV/s。（B）商業Pd/C的i-t曲線，電解液為0. 1 mol/L HClO₄/0. 5 mol/L HCOOH溶液，掃速為20 mV/s

邢巍

邢巍，理學博士，中國科學院長春應用化學研究所，研究員，博士生導師，二級教授，先進化學電源實驗室主任，吉林省低碳化學電源重點實驗室主任,吉林省化學電源工程實驗室主任。中國化學會電化學專業委員會副主任委員、國際電化學會會員，《電化學》編委。作為訪問學者先后在日本大阪工業研究所、丹麥技術大學、加拿大NRC燃料電池研究所進行研究。研究興趣為可再生資源制備氫能與燃料電池，包括聚合物電解質（SPE）能源系統，質子交換膜燃料電池(PEMFC，含直接醇類燃料電池，DMFC)、小分子催化分解制氫、閑置風電電解水制氫技術，先后主持過數十項國家及省部級科研項目，如：“十二五”863主題項目“先進燃料電池發電技術”首席專家；科技部對俄專項“直接甲醇燃料電池關鍵技術”負責人；科學院納米先導項目中“水電解低鉑催化劑” 課題負責人；主持基金委重點基金項目“直接甲醇燃料電池基礎研究”（2004-2008）、“多組分協同團簇基新型PEMFC催化劑研究”（2017-2021）及多項面上基金；吉林省組織部重大科技項目研發人才團隊帶頭人等。多次參加中組部、科技部、基金委等國家級項目的會評工作。 

　　多年來系統地開展了SPE相關的電催化反應過程與機理、有機小分子電極動力學過程途徑和相關電子轉移理論基礎、關鍵材料批量制備技術、核心部件電解質膜/催化電極復合體制備工藝、反應流場內多尺度傳遞優化、燃料電池堆整體結構與組裝、發電系統集成與控制等關鍵問題和技術；目前DMFC發電電源系統已達到實用水平；在國際上率先實現小分子異相常溫催化分解制氫。作為通訊作者已在包括Nature Commun.，Angew. Chem. Int. Edit.，Adv. Mater.，Energy. Environ. Sci., Nano Energy, Chem.Commun.,等發表SCI論文>300篇，他引>8000次，H-index為48，多篇被選為高被引論文，專利50余項。多個著名雜志審稿人，如Nature Commun.，JACS，Angew.Chem.Int.Edit., Nano Energy, EES等,主編和參與出版了多部專著，如：.主編由Elsevier 出版的專著“Rotating Electrode Method and Reduction Electrocatalysts”, Editors：Wei Xing, Geping Yin and Jiujun Zhang, 2014。多次在全國電化學大會做大會報告及國際電化學年會特邀報告。 

研究興趣：圍繞質子交換膜燃料電池(PEMFC，包括直接醇類燃料電池，DAFC)，系統地開展相關的電催化反應過程與機理、有機小分子電極動力學過程途徑和相關電子轉移理論基礎、關鍵材料批量制備技術、核心部件電解質膜/催化電極復合體（MEA）制備工藝、反應流場內多尺度傳遞優化、燃料電池堆整體結構與組裝、發電系統集成與控制等關鍵問題和技術、生物燃料電池、電化學金屬表面處理技術等。

文章來源：應用化學