研究内容

碱性氢氧化(HOR)的高效和耐CO催化剂对阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)的商业应用至关重要。钒(V)作为一种具有高亲氧性的多价元素，有利于操纵电子构型，已被广泛用作电催化剂。埃瓦尔德证明，C 60 上负载的V单原子可以降低水分解的反应势垒，因为载体和V之间的电荷转移。 中国科学技术大学陈乾旺和杨阳 之前的研究表明，V单原子配位并嵌入碳基质中可能是*OH的理想吸附位点。此外，具有V单原子的改性碳基体可以显著增强电子-金属-载体的相互作用，避免负载的Ru纳米颗粒的聚集，并调节Ru的电子结构。

近日， 该课题组 制备了一种坚固的钌基催化剂(Ru/VOC)，该催化剂具有以原子分散的V-O为载体的碳框架上负载的超小钌纳米颗粒。该催化剂的质量活性为3.44 mA μg PGM ，是Ru/C的31.3倍，甚至是Pt/C的4.7倍。此外，Ru/VOC阳极的峰值功率密度(PPD)为1.194 W cm -2 ，远优于Ru/C阳极，甚至优于Pt/C阳极。此外，该催化剂还表现出优异的稳定性和优异的CO耐受性。相关工作以“ V-O Species-Doped Carbon Frameworks Loaded with Ru Nanoparticles as Highly Efficient and CO-Tolerant Catalysts for Alkaline Hydrogen Oxidation ”为题发表在国际著名期刊 Journal of the American Chemical Society 上。

研究要点

要点1. 作者制备了一种坚固的钌基催化剂(Ru/VOC)，该催化剂具有以原子分散的V-O为载体的碳框架上负载的超小钌纳米颗粒，用于碱性HOR。

要点2. 该催化剂的质量活性为3.44 mA μg PGM ，是Ru/C的31.3倍，甚至是Pt/C的4.7倍。此外，Ru/VOC阳极的峰值功率密度(PPD)为1.194 W cm -2 ，远优于Ru/C阳极，甚至优于Pt/C阳极。此外，该催化剂还表现出优异的稳定性和优异的CO耐受性。

要点3. 实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，V-O是理想的OH - 吸附位点，使Ru能够释放更多的氢吸附位点。此外，从Ru纳米颗粒到碳基底的电子转移调节了Ru的电子结构，降低了Ru上的氢结合能(HBE)和CO吸附能，提高了催化剂的碱性HOR性能和CO耐受性。

这是首次报道分布在碳骨架上的亲氧单原子作为有效氢氧化的OH - 吸附位点，为精细设计碱性HOR的高活性催化剂开辟了新的指导。

研究图文

图1. 电子显微图谱。

图2. 光谱。

图3. 通过RDE测试HOR活性和抗CO中毒能力。转速：1600 rpm，扫描速率：1 mV s -1 。

图4. 从侧视图和俯视图来看，吸附在Ru9/VOC上的（a）H*、（b）OH*和（c）CO*的优化结构。白色、黄色、粉红色、黑色和红色球体分别表示H、Ru、V、C和O原子。Ru簇、Ru9/VOC和Pt(111)的（d）HBE和OHBEs以及（e）CO吸附能(E CO *)。（f）Ru/VOC和Ru团簇模型中Ru原子的投影DOS。

文献详情

V-O Species-Doped Carbon Frameworks Loaded with Ru Nanoparticles as Highly Efficient and CO-Tolerant Catalysts for Alkaline Hydrogen Oxidation

Pengcheng Wang, Yang Yang,* Wei Zheng, Zhiyu Cheng, Changlai Wang, Shi Chen, Dongdong Wang, Jiahe Yang, Hongda Shi, Pin Meng, Peichen Wang, Huigang Tong, Jitang Chen, Qianwang Chen*

J. Am. Chem. Soc.

DOI : https://doi.org/10.1021/jacs.3c11734

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