近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究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物5-羥甲基糠醛作為燃料的燃料電池研究中取得新進展，合成了負載在炭黑上的鉑與硫化鎳納米顆粒雙功能催化劑（PtNiSx/CB），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），還能夠驅(qū)動陰極氧還原反應，實現(xiàn)在輸出能量的同時將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r值的產(chǎn)物。相關研究成果以Sustainable 2,5-furandicarboxylic synthesis by a direct 5-hydroxymethylfurfural fuel cell based on a bifunctional PtNiSx catalyst為題，發(fā)表在Chemical Communications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，電化學策略可與電化學析氫反應（HER）或電催化有機氫化合成結(jié)合，產(chǎn)生額外的高附加值產(chǎn)品，并提高能量轉(zhuǎn)換效率?？沙掷m(xù)和更節(jié)能的電催化FDCA合成工藝是燃料電池研究中的熱點。

燃料電池作為一種可持續(xù)的能量轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)，因其能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點得到廣泛研究和發(fā)展。燃料電池技術(shù)包含兩個重要的化學反應——陽極的燃料氧化反應和陰極氧還原反應（ORR），均需要利用高效且價格相對低廉的催化劑以降低反應能壘，進而提高反應動力學。

基于此，研究人員設計出氧還原與有機合成相結(jié)合的直接HMF燃料電池（DHMF-FC）形式；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)，鉑與硫化鎳間存在界面，Pt和NiSx納米顆粒之間密切的相互作用與界面效應使得該催化劑具有良好的電化學ORR和HMF氧化催化活性。此外，NiSx的引入有利于ORR四電子反應過程的進行，硫元素也可有效防止金屬顆粒的團聚。半電池的電化學測試和ICP-AES測試結(jié)果顯示，PtNiSx/CB具有優(yōu)異的ORR與OER性能，電化學活性面積（79 m² gPt^-1）高于商業(yè)Pt/C（64 m² gPt^-1），且其中鉑的負載量（7.60 wt%）低于商業(yè)鉑碳（20 wt%）。加入HMF后的燃料電池在60℃時，開路電壓為0.52 V，放電效率達2.12 mW cm^-2，電流密度為6.8 mA cm^-2；對放電反應電解液進行液相色譜檢測，發(fā)現(xiàn)HMF幾乎完全轉(zhuǎn)化為FDCA，轉(zhuǎn)化率接近98%，選擇性達到100%。該研究有助于設計和發(fā)展雙功能的燃料電池電催化劑。

研究工作得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金和中國博士后科學基金的支持。

論文鏈接

圖1.（a）Pt/CB, NiSx/CB和PtNiSx/CB的XRD圖譜；（b）PtNiSx/CB的HAADF-STEM圖像及粒徑分布圖，HRTEM圖像（c）和EDS能譜（d）

圖2.Pt/CB, NiSx/CB，PtNiSx/CB和商業(yè)Pt/C的（a）CV曲線和（b）LSV曲線；在加入HMF之前和之后PtNiSx/CB的LSV曲線（c）； PtNiSx/CB在不同溫度下的LSV曲線（d）

圖3.DHMF-FC在不同溫度下的（a）開路電壓和（b）放電極化曲線與功率；（c）在恒電流下的電壓-時間曲線，電流密度-時間曲線和累計電量-時間曲線；（d）恒電流反應中反應物質(zhì)占比-時間曲線

圖4.直接5-羥甲基糠醛燃料電池裝置示意圖