中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米材料與器件技術(shù)研究部環(huán)境與能源納米材料中心在以有機(jī)物5-羥甲基糠醛作為燃料的燃料電池研究中取得新進(jìn)展，合成了負(fù)載在炭黑上的鉑與硫化鎳納米顆粒雙功能催化劑(PtNiSx/CB)，不僅可以催化陽(yáng)極燃料5-羥甲基糠醛(HMF)氧化為2,5-呋喃二甲酸(FDCA)，還能夠驅(qū)動(dòng)陰極氧還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在輸出能量的同時(shí)將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r(jià)值的產(chǎn)物。相關(guān)研究成果以Sustainable 2,5-furandicarboxylic synthesis by a direct 5-hydroxymethylfurfural fuel cell based on a bifunctional PtNiSx catalyst為題，發(fā)表在Chemical Communications上。
FDCA有望在化工生產(chǎn)中取代對(duì)苯二甲酸合成聚合物，是一種重要的近市場(chǎng)化工產(chǎn)品，主要通過(guò)熱催化、光催化、電催化等方式氧化HMF得到。其中，電化學(xué)策略可與電化學(xué)析氫反應(yīng)(HER)或電催化有機(jī)氫化合成結(jié)合，產(chǎn)生額外的高附加值產(chǎn)品，并提高能量轉(zhuǎn)換效率�？沙掷m(xù)和更節(jié)能的電催化FDCA合成工藝是燃料電池研究中的熱點(diǎn)。
燃料電池作為一種可持續(xù)的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，因其能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛研究和發(fā)展。燃料電池技術(shù)包含兩個(gè)重要的化學(xué)反應(yīng)——陽(yáng)極的燃料氧化反應(yīng)和陰極氧還原反應(yīng)(ORR)，均需要利用高效且價(jià)格相對(duì)低廉的催化劑以降低反應(yīng)能壘，進(jìn)而提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
基于此，研究人員設(shè)計(jì)出氧還原與有機(jī)合成相結(jié)合的直接HMF燃料電池(DHMF-FC)形式;采用浸漬、熏硫與煅燒的策略，合成了雙功能PtNiSx催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，鉑與硫化鎳間存在界面，Pt和NiSx納米顆粒之間密切的相互作用與界面效應(yīng)使得該催化劑具有良好的電化學(xué)ORR和HMF氧化催化活性。此外，NiSx的引入有利于ORR四電子反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行，硫元素也可有效防止金屬顆粒的團(tuán)聚。半電池的電化學(xué)測(cè)試和ICP-AES測(cè)試結(jié)果顯示，PtNiSx/CB具有優(yōu)異的ORR與OER性能，電化學(xué)活性面積(79m2 gPt-1)高于商業(yè)Pt/C(64m2 gPt-1)，且其中鉑的負(fù)載量(7.60 wt%)低于商業(yè)鉑碳(20wt%)。加入HMF后的燃料電池在60℃時(shí)，開(kāi)路電壓為0.52 V，放電效率達(dá)2.12 mW cm-2，電流密度為6.8 mAcm-2;對(duì)放電反應(yīng)電解液進(jìn)行液相色譜檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)HMF幾乎完全轉(zhuǎn)化為FDCA，轉(zhuǎn)化率接近98%，選擇性達(dá)到100%。該研究有助于設(shè)計(jì)和發(fā)展雙功能的燃料電池電催化劑。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金的支持。
圖1.(a)Pt/CB,NiSx/CB和PtNiSx/CB的XRD圖譜;(b)PtNiSx/CB的HAADF-STEM圖像及粒徑分布圖，HRTEM圖像(c)和EDS能譜(d)
圖2.Pt/CB,NiSx/CB，PtNiSx/CB和商業(yè)Pt/C的(a)CV曲線和(b)LSV曲線;在加入HMF之前和之后PtNiSx/CB的LSV曲線(c);PtNiSx/CB在不同溫度下的LSV曲線(d)
圖3.DHMF-FC在不同溫度下的(a)開(kāi)路電壓和(b)放電極化曲線與功率;(c)在恒電流下的電壓-時(shí)間曲線，電流密度-時(shí)間曲線和累計(jì)電量-時(shí)間曲線;(d)恒電流反應(yīng)中反應(yīng)物質(zhì)占比-時(shí)間曲線
圖4.直接5-羥甲基糠醛燃料電池裝置示意圖
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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