直接乙醇燃料電池以乙醇作為燃料，具有高能量密度、綠色低毒和便于操作的優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，陽(yáng)極乙醇電催化氧化反應(yīng)仍然存在催化劑中毒和乙醇氧化不完全等問(wèn)題。設(shè)計(jì)合成更加高效穩(wěn)定的乙醇氧化電催化劑，對(duì)推動(dòng)直接乙醇燃料電池的發(fā)展至關(guān)重要。 

近日，過(guò)程工程所楊軍研究員團(tuán)隊(duì)與南京師范大學(xué)徐林副教授合作，將核殼結(jié)構(gòu)與合金效應(yīng)相結(jié)合，優(yōu)化電子和晶格應(yīng)變效應(yīng)，提升了貴金屬Pd催化劑的電催化性能，減弱了催化劑的中毒現(xiàn)象，提高了催化劑的活性和穩(wěn)定性。 

研究團(tuán)隊(duì)在油胺中合成了具有以Au為核，以FePd合金為亞納米殼層的核殼結(jié)構(gòu)Au@FePd顆粒。具體來(lái)說(shuō)，由于Au和Pd電負(fù)性的差異，鈀原子的電子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變。此外Pd殼層較薄，Au核引起Pd層的晶格膨脹比較明顯，這會(huì)增強(qiáng)CO等中間產(chǎn)物在催化劑表面的吸附，毒化催化劑的活性位點(diǎn)。而薄殼層中的Fe組分緩解了Pd晶格膨脹現(xiàn)象，使活性組分Pd具有合適的d帶中心，有利于乙醇的電催化氧化。在堿性電解質(zhì)中，當(dāng)Fe/Pd原子比為0.5/1時(shí)，乙醇電催化氧化的活性最高，質(zhì)量活性為13.3 A mg-1，面積活性為20.2 mA cm-2，均為目前報(bào)道的最高值。理論分析也表明，Au@FePd催化劑中的Fe原子可在較低過(guò)電位下，更加穩(wěn)定地吸附OH物種，促進(jìn)Pd上吸附的CO物種進(jìn)一步氧化，強(qiáng)調(diào)了通過(guò)綜合優(yōu)化催化劑幾何結(jié)構(gòu)和表面組成從而合成高性能電催化劑的概念。 

該研究受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金、過(guò)程工程所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和綠色制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院資助，以“Combining the Core-Shell Construction with an Alloying Effect for High Efficiency Ethanol Electrooxidation”為題，于3月1日發(fā)表在Cell出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science (Cell Reports Physical Science 2021, 2, 100357. DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100357)，過(guò)程工程所博士生劉丹葉為論文第一作者，陳東副研究員為論文共同通訊作者。 

核殼結(jié)構(gòu)與合金效應(yīng)相結(jié)合提升貴金屬鈀(Pd)對(duì)乙醇電催化氧化反應(yīng)性能示意圖