2022年6月21日，中国科学院过程工程研究所杨军研究员在清华大学创办的新晋能源期刊Nano Research Energy(https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)发表题为“Light doping of tungsten into copper-platinum nanoalloys for boosting their electrocatalytic performance in methanol oxidation”的最新研究成果。

直接甲醇燃料电池(DMFC)是将甲醇氧化反应的化学能直接转化为电能的一种发电装置，主要由阴极、阳极、质子交换膜及双极板等组成，其结构简单、方便灵活，工作时间只取决于燃料携带量而不受限于电池的额定容量，近年来倍受产业界青睐。DMFC在发电过程中，无需经过卡诺循环，具有能量转化效率高，低排放和无噪音等优点，另外还具有常温使用、燃料携带补给方便、体积和重量比能量密度高等优势，特别适合于作为小型可移动及便携式电源，在国防、能源和通讯等领域有着潜在的广阔应用前景。目前制约DMFC商业化的一个主要障碍是其阳极甲醇氧化反应的缓慢动力学，这一问题在低温操作时尤其突出。此外，甲醇氧化过程中产生类一氧化碳物种（CO-like species）容易强烈吸附在Pt基催化剂的表面，造成催化剂中毒失活。

图1：(a) CuWPt三元合金及其对照样品的Pt XPS价带谱，从中可计算求取Pt的d-带中心; (b) 对应的CO在酸性介质中电化学剥离曲线，从中可以判断CO在活性位点的吸附状况.

针对以上问题，中科院过程工程所多相复杂系统国家重点实验室杨军研究员团队耦合双功能催化机制与晶格压缩应变效应，通过在CuPt合金体系中掺杂少量W的方式，降低Pt活性组分的d-带中心，减弱类一氧化碳物种在其表面的化学吸附，极大地提升了其室温下催化甲醇氧化的性能。如图1所示，在他们制备的三元体系中，少量的W不仅能够降低Pt的d-带中心，弱化CO的吸附，还能够通过一种“溢氢效应（hydrogen spillover effect）”净化Pt催化位点，进一步提升其催化稳定性。研究显示，在Cu/W/Pt的摩尔比达到21/4/755的一个优化组合时，CuWPt三元合金纳米颗粒对甲醇氧化的比活性和质量活性可分别达到2.5 mA·cm^–2和2.11 A·mg^–1且具有优良的稳定性，性能远远超过它们的CuPt二元合金对照样品、商业化的Pt/C催化剂和近些年报道的Pt基合金材料。基于此，他们组装了以CuWPt三元合金为阳极催化剂的DMFC但电池，室温下电池开路电压和功率密度分别达到0.6 V和24.3 mW·cm^–2，同样远远超过以商业Pt/C为阳极催化剂的对照电池。该研究展示了附加添加物提升贵金属电催化性能的潜力，为合成高效贵金属基电催化剂提供了一种可行的选择。

相关论文信息：

Liu, D. Y.; Zeng, Q.; Hu, C. Q.; Chen, D.; Liu, H.; Han, Y. S.; Xu, L.; Zhang, Q. B.; Yang, J. Light doping of tungsten into copper-platinum nanoalloys for boosting their electrocatalytic performance in methanol oxidation. Nano Res. Energy 2022, DOI: 10.26599/NRE.2022.9120017. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120017

作为Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊，由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。2023年之前免收APC费用，欢迎各位老师踊跃投稿。投稿请联系：NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn.