王建辉 | 平衡反应物吸附过程以实现超稳定的电催化甲醇氧化反应
2026-10-23

(内容来源:eScience)

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1. 合成了具有表面压应变的PtMn浓度梯度合金催化剂(d-PtMn/CC);

2. d-PtMn/CC相比常规Pt/CC的EMOR活性和稳定性提高了7-14倍,并在直接甲醇燃料电池上展示出优异性能;

3. 鉴定出OH和CHxOy分别高低电位的毒化物种,d-PtMn/CC通过配体与压缩应变协调作用实现了甲醇与OH的平衡吸附,增强了抗毒化性能。

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在能源领域,甲醇因其高能量密度、易储存运输及可持续生产等特性,被誉为“液体阳光”。电催化甲醇氧化反应(EMOR)在直接甲醇燃料电池(DMFC)以及在线制氢中具有广泛应用潜力。然而,目前最高效的Pt基催化剂仍面临过电位高、动力学缓慢及工况下稳定性差等问题,严重制约其实际应用。已有大量研究通过调控化学组分与结构、引入缺陷和应变等策略来提升Pt的催化性能,但其活性和稳定性仍难以满足实际需求。此外,当前研究多聚焦于碱性条件的催化剂开发,而二氧化碳产物会持续消耗碱液中的氢氧根离子,不利于实际应用。同时,由于甲醇氧化反应路径复杂,学界对Pt失活的有毒中间物种(COads、CHxOy ads或OHads)的认识仍存分歧,这也使得相关催化剂的研发受阻。

鉴于此,作者设计了一种PtMn合金催化剂,其结构由具有压缩应变的Pt壳及具有Mn浓度梯度的PtMn核组成。该催化剂表现出显著提升的动力学性能和催化稳定性,并能在酸性、中性及碱性的全pH条件下稳定工作。基于该催化剂组装的甲醇燃料电池展现出优异的放电功率密度和稳定性。通过研究不同电位下的表面吸附物种,作者发现催化剂表面反应物浓度的失衡是导致Pt失活的关键原因。而合金的配体效应与表面压缩应变效应的协同作用,能够在宽电位区间内维持反应物浓度平衡,从而实现超稳定的EMOR性能。这些发现不仅澄清了长期存在的EMOR毒化机制争议,也证实了“配体效应+表面应变”策略在DMFC中的有效性,为DMFC的实际应用提供了有力支撑。

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