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研究内容

碳基燃料，如化石燃料和可再生生物质是重要的主要一次能源。然而，传统的火力发电加剧了二氧化碳（CO2）温室气体排放和污染。在不排放CO2的情况下，将碳基分子燃料高效、清洁地转化为电力是一项挑战。使用贵金属作为阳极催化剂的常规燃料电池通常由于CO中毒和与CO2生产相关的一系列问题而遭受性能退化。

深圳大学符显珠教授提供了一种无二氧化碳（CO2）排放的直接甲醛燃料电池。能够在产生H2和有价值的甲酸盐的同时实现电流流动。该甲醇燃料电池每发电1 kWh可产生0.62 Nm3 H2和53摩尔甲酸盐，开路电压高达1 V，峰值功率密度为350 mW/cm2。相关工作以“A Direct Formaldehyde Fuel Cell for CO2-Emission Free Cogeneration of Electrical Energy and Valuable Chemical/Hydrogen”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1.作者使用的燃料电池核心是支撑在Cu泡沫上的Cu纳米片阵列，作为一种高活性和选择性的电催化阳极，可确保甲醛同时转化为甲酸和氢气。实现甲醛的起始氧化电位（~-0.1 VRHE）低于氢气（0 VRHE）和甲醇（0.016 VRHE）的理论氧化电位。

要点2.与传统的碳基分子电氧化不同，甲醛的1-电子氧化在Cu阳极上以高选择性进行，从而在不经历CO2途径的情况下产生甲酸盐和H2。燃料电池可以从53摩尔的甲醛燃料中产生1 kWh的电力、0.62 Nm3 H2和53摩尔甲酸盐。Cu纳米片阵列电极允许燃料电池具有高达1 V的开路电压和350 mW/cm2的峰值功率密度。

要点3.原位差分电化学质谱（DEMS）的结果表明，氢源于醛基中的C-H键断裂，密度泛函理论（DFT）计算证实，Cu表面的活性*H原子倾向于以H2而不是H2O的形式释放。

该研究提出了一种独特的策略，以解决碳基燃料甚至有机污染物转化为电力、纯氢气和有价值的化学品所产生的二氧化碳排放问题。

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研究图文

图1.（a）铜纳米片阵列的合成原理示意图。（b-c）CF和（d-e）CF@Cu-NS的SEM。（f）Cu纳米片的HRTEM和相应FFT。

图2.（a）初始CF和CF@Cu-NS在1 M KOH中的CV。插图：初始CF的CV放大图。（b）CF@Cu-NS在有和没有六氯环己烷的LSV。（c）CF@Cu-NS、初始铜泡沫（CF）和Pt箔在1 M KOH+50mM HCHO中的LSV。（d）控制实验确定甲醛氧化铜催化剂的活性相。

图3.（a）坎尼扎罗歧化反应的影响（插图：反应发生时的放大图像）。（b）1-电子途径的FE。（c）CF@Cu-NS在1 M KOH+50 mM HCHO中的i-t曲线和相应的FE1-电子途径。（d）CF@Cu-NS在1 M NaOD和50 mM HCHO中，使用D2O作为电解质溶剂时，在0.2 VRHE的脉冲电势下，m/z＝2、3和4时的DEMS。

图4. 甲醛在Cu（111）阳极表面氧化的反应途径和相应的自由能图。

图5.（a）直接甲醛燃料电池的示意图。（b）直接甲醛燃料电池的极化和功率密度曲线。（c）根据甲醛电氧化的1-电子途径，实验收集的H2量与假设FE为100%的理论计算的H2量的比较。（d）在恒定电池电压下进行耐久性测试。

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文献详情

A Direct Formaldehyde Fuel Cell for CO 2 -Emission Free Cogeneration of Electrical Energy and Valuable Chemical/Hydrogen

Yang Yang, Xuexian Wu, Munir Ahmad, Fengzhan Si, Shujing Chen, Chunhua Liu, Yan Zhang, Lei Wang, Jiujun Zhang, Jing-Li Luo, Xian-Zhu Fu*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202302950

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