近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室能源與環(huán)境小分子催化研究組研究員鄧德會(huì)、副研究員崔曉菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)在室溫電化學(xué)水氣變換制高純度氫氣的研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Pd與Cu的合金化能夠顯著提升陽極電化學(xué)CO的氧化活性，進(jìn)而提高室溫電化學(xué)水氣變換制高純度氫氣的效率。
2019年，鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期探索，結(jié)合電化學(xué)反應(yīng)原理，將水氣變換的氧化還原反應(yīng)拆分為彼此分離的兩個(gè)半反應(yīng)，提出了一種能在常溫常壓下直接制備高純氫氣的室溫電化學(xué)水氣變換（RT-EWGS）概念（Nat. Commun.，2019）。反應(yīng)中，CO在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的CO2與電解質(zhì)KOH進(jìn)一步反應(yīng)生成碳酸鉀，避免了CO2的排放；同時(shí)水在陰極直接被還原生成高純度氫氣。然而，陽極CO氧化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，極大影響了RT-EWGS的產(chǎn)氫效率，開發(fā)低成本、高效的陽極電催化劑以提高CO氧化反應(yīng)活性對(duì)RT-EWGS產(chǎn)氫效率的提升具有重要意義。
大連化物所利用PdCu合金促進(jìn)室溫電化學(xué)水氣變換制備高純度氫氣
本工作中，鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種碳納米管負(fù)載的PdCu納米顆粒（Pd0.7Cu/CNTs）催化劑，通過將Pd和Cu合金化來提高陽極CO電化學(xué)氧化活性，進(jìn)而提高RT-EWGS的產(chǎn)氫效率。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電位為0.3V時(shí)，陽極電化學(xué)CO氧化的質(zhì)量活性可達(dá)19.9mA/mgPd，比碳納米管負(fù)載的Pd納米顆粒（Pd/CNTs）催化劑活性高出330倍以上；在0.2V時(shí)，Pd0.7Cu/CNTs催化劑質(zhì)量活性比之前報(bào)道的Pt2.7Cu催化劑高了近5倍，顯著降低了貴金屬的用量。團(tuán)隊(duì)結(jié)合DFT理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，PdCu合金催化劑在陽極CO氧化過程中，吸附的CO（CO*）更容易與吸附的OH（OH*）反應(yīng)，而不是與溶液中的OH-反應(yīng)，Cu的引入使Pd對(duì)CO*吸附減弱，對(duì)OH*吸附增強(qiáng)，通過優(yōu)化反應(yīng)路徑進(jìn)而降低了RT-EWGS的過電位。該研究為RT-EWGS高效陽極催化劑的設(shè)計(jì)提供了新方向。
相關(guān)成果以“Alloying Pd with Cu boosts hydrogen production via room-temperature electrochemical water-gas shift reaction”為題，發(fā)表在Nano Energy上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測(cè)量”、大連化物所創(chuàng)新基金、教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（2011 iChEM）等項(xiàng)目的支持。
