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中国科学院上硅所实现耦合产氢的高效硼氢化物燃料电池 |
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2024年10月21日，中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林院士和崔香枝研究员团队在chem期刊发表了一篇题为“borohydride oxidation-water reduction fuel cells advanced by local hydroxyl enrichment-inhibited borohydride hydrolysis on cu(0) sites”的文章。该成果报道了一种耦合产氢的硼氢化物燃料电池，利用电极表面局域微环境构建和酸碱不对称体系实现燃料电池燃料利用率和能量效率的提升。论文通讯作者是施剑林，崔香枝；第一作者是朱立博。
由于阴极氧还原反应（orr）动力学缓慢和硼氢化钠水解副反应导致阳极硼氢化氧化反应（bor）选择性低，传统直接硼氢化燃料电池（dbfc）的输出功率密度和能量效率仍然太低，无法满足工业应用的需求。
在这项工作中，施剑林团队提出了一种改进的硼氢化物燃料电池装置，利用阴极析氢反应（her）代替动力学缓慢的orr，并将其与阳极bor耦合，构建了bor-her燃料电池（bhfc），实现发电和制氢的一体化。搭建的bhfc装置比使用orr作为阴极的传统dbfc（50 mw cm-2）输出了更高的峰值功率密度（114 mw cm-2），并实现了至少40 mol h-1 m-2的氢气产生速率。具体而言，研究人员基于界面工程和局部环境调控策略，开发了一种生长在泡沫铜上的掺铜cop纳米片（cu-cop/cf），可同时催化酸性her和碱性bor，对于her仅需45 mv过电位便可达10 ma cm-2，在0.5 m h2so4中可稳定运行700小时。此外，在碱性bor条件下，cop中掺杂的cu（i）物种被nabh4部分原位还原为cu（0），从而有效抑制了nabh4的竞争性水解，显著提高了bor选择性，在0.8 v电压下，bor选择性高达85%，在92 mv电位下，bor的电流密度高达1000 ma cm-2，并且拥有260小时的高稳定性。
研究团队通过原位红外测试和密度泛函理论（dft）计算等手段证明：cop中掺杂的cu（i）物种在cu-cop/cf表面被nabh4通过化学还原作用原位还原成了cu（0），而nabh4能强烈吸附附近的oh-，从而使oh-富集在催化剂-电解质界面的局部环境中。这种oh-富集有效地抑制h*吸附和nabh4水解产氢，从而提高了bor的选择性和使用cu-cop/cf电极的bhfc的功率输出。
图1：cu-cop/cf电极的形貌和结构表征。
图2：cu-cop/cf电极在0.5 m h2so4中的电催化her性能。
图3：cu-cop/cf电极在1.0 m naoh 0.2 m nabh4中的电催化bor性能。
图4：cu-cop/cf的电催化性能和作用机理研究。
图5：cu-cop/cf电极的作用机理研究。
图6：使用cu-cop/cf电极作为酸性her阴极和bor阳极的bhfc装置性能。
该工作基于酸碱中和能构建新型硼氢化物燃料电池体系，并通过设计高选择性硼氢化物催化剂，从而实现同时发电和制氢，提升燃料利用率和能量效率，为硼氢化物燃料电池的应用推广提供参考。（来源：科学网）
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