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廈大/常熟理工/蘇州納米所?EES: 調(diào)制Ru晶相，促進(jìn)Ru-Sn催化堿性HOR

陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)可以將水分解產(chǎn)生綠色氫氣(H₂)和將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可以有效緩解當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境問題，受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。然而，AEMFCs的陽極反應(yīng)，即氫氧化反應(yīng)(HOR)，在堿性條件下動(dòng)力學(xué)緩慢。同時(shí)，對(duì)于具有高HOR活性的鉑(Pt)催化劑，其在堿性條件下的HOR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)比酸性條件下低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，需要高的負(fù)載量，這嚴(yán)重阻礙了AEMFCs的實(shí)際應(yīng)用和大規(guī)模發(fā)展。因此，開發(fā)低成本、高效的堿性HOR催化劑具有重要意義。

釕(Ru)對(duì)H₂的親和力與Pt相似，可以替代Pt作為HOR催化劑。Ru的活性受到其在堿性條件下動(dòng)力學(xué)緩慢、穩(wěn)定性不佳和CO中毒的限制?；诖?，廈門大學(xué)黃小青、常熟理工學(xué)院耿洪波和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所徐勇等開發(fā)出一種具有復(fù)合fcc相和hcp相Ru的Ru-Sn納米花(fcc_x Ru-Sn，x表示fcc相比)，其在堿性條件下可以作為高效的HOR催化劑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，對(duì)于最優(yōu)的fcc_0.42 Ru-Sn催化劑，其fcc/hcp異質(zhì)界面的協(xié)同作用調(diào)節(jié)了Ru位點(diǎn)的d帶中心，減弱H_ad/CO吸附，同時(shí)強(qiáng)界面協(xié)同作用促進(jìn)了CO氧化，從而顯著增強(qiáng)HOR動(dòng)力學(xué)和CO耐受性。

性能測(cè)試結(jié)果顯示，fcc_0.42 Ru-Sn催化劑在50 mV電位下的質(zhì)量活性和比活性分別為4.9 A mg_Ru^?1和6.7 mA cm_ECSA^?2，hcp Ru/C是9.8倍和7.4倍，甚至超過超過商業(yè)Pt/C和其他最近報(bào)道的催化劑。

此外，用fcc_0.42 Ru-Sn組裝的燃料電池的功率峰值密度(PPD)為12.46 W mg_Ru^?1，并且當(dāng)100 ppm CO引入原料氣時(shí)，燃料電池的PPD為0.431W cm^?2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于Pt/C的燃料電池。還有就是，在80 °C下，該燃料電池在0.2 A cm^?2的恒電流下連續(xù)運(yùn)行50小時(shí)后，電位保留了70%，顯示出巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。

總的來說，該項(xiàng)研究提出了一種通過界面協(xié)同增強(qiáng)堿性HOR性能和燃料電池的策略，為開發(fā)高效的HOR催化劑提供了思路。

Phase and interface engineering of a Ru-Sn nanocatalyst for enhanced alkaline hydrogen oxidation reaction. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D4EE02010C

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