駱靜利院士&符顯珠教授團隊Angew：無CO2排放的直接甲醛燃料電池實現電能、氫氣及甲酸鹽共生

一、 【導讀】?

將碳基分子燃料高效而清潔地轉化為電能，且不排放CO₂仍然是一個挑戰。傳統燃料電池使用貴金屬作為陽極催化劑的常見問題包括CO中毒導致性能下降以及與CO₂產生相關的一系列問題。

二、【成果掠影】

近日，深圳大學材料學院駱靜利院士、符顯珠教授課題組開發了一種無CO₂排放的直接甲醛燃料電池，使電力、H₂與有價化學品甲酸鹽能夠同時生產，燃料電池每產生1 kWh的電，會產生0.62 Nm³的H₂和53 mol的甲酸鹽，開路電壓高達1 V，峰值功率密度為350 mW/cm²。

相關研究文章以“A Direct Formaldehyde Fuel Cell for CO₂-Emission Free Co-generation of Electrical Energy and Valuable Chemical/Hydrogen”為題發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

?三、【核心創新點】

1.燃料電池的核心是Cu納米片陣列，支撐在Cu泡沫（CF）上。它被設計為高活性和選擇性的電催化陽極，以確保同時將甲醛轉化為甲酸和氫氣。

2.合成的Cu納米片陣列電極允許燃料電池達到最高1?V的開路電壓和350?mW?cm^?2的峰值功率密度。這個獨特的配置可以從53?mol的甲醛燃料產生1?kWh的電力，62?Nm³的氫氣和53?mol的甲酸。

?四、【數據概覽】

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圖1 (a) 銅納米片陣列合成原理的示意圖。(b-c) CF的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和(d-e) CF@Cu-NS的SEM圖像。(f) Cu納米片的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像和相應FFT圖案的插圖。? 2023 Wiley

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圖2 (a) 在1M KOH中收集的CF@Cu-NS和原始CF的CV曲線。 (a) 插圖是在1 M KOH中收集的原始CF的放大CV曲線。(b) CF@Cu-NS在有和沒有甲醛(HCHO)的條件下的LSV曲線。? 在1M KOH + 50mM HCHO中收集的CF@Cu-NS、原始銅泡沫(CF)和鉑箔的LSV曲線。(d) 用來確定Cu催化劑對甲醛氧化的活性相的控制性實驗。? 2023 Wiley

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圖3 (a) 這是Cannizzaro不均分反應的影響（插圖是反應發生時的放大圖像）。 (b) 1電子途徑的Faradaic效率。(c) CF@Cu-NS在1M KOH+50mM HCHO中的i-t曲線及相應的1電子途徑Faradaic效率。(d) 在用D₂O作為電解質溶劑的1M NaOD中使用50mM HCHO的情況下，在CF@Cu-NS上以脈沖電位0.2V_RHE下的DEMS信號，信號m/z=2、3和4。? 2023 Wiley

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圖4在Cu（111）陽極表面上，甲醛氧化的預測反應途徑和相應的自由能圖。? 2023 Wiley

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圖5 (a)?直接甲醛燃料電池的示意圖。(b)?直接甲醛燃料電池的極化和功率密度曲線。(c)?實驗收集的氫氣量與根據1電子途徑的甲醛電氧化理論計算的氫氣量進行比較，假設電壓效率為100%。 (d)?在恒定電池電壓下的耐久性測試。? 2023 Wiley

五、【成果啟示】

本文開發了一種直接甲醛燃料電池，可以同時產生電能和有價值的化學品（甲酸鹽和氫氣），而不產生CO₂溫室氣體排放。在?0.1?V_RHE–0.3?V_RHE的范圍內，甲酸鹽和氫氣通過甲醛電氧化的1電子途徑在金屬銅陽極上生成，而不產生CO₂排放。通過同時電氧化和化學還原獲得的銅納米片陣列的獨特結構確保了相當大的響應電流。此外，通過DFT計算和DEMS，作者發現氫氣來自C?H鍵的斷裂。重要的是，該燃料電池每發電1千瓦時可以轉化53摩爾甲醛并產生0.62 Nm³ H₂。這項研究為甲醛的環保處理、有價值化學品的生產和燃料電池發電提供了創新策略。

原文詳情：Yang, Y., Wu, X., Ahmad, M., Si, F., Chen, S., Liu, C., Zhang, Y., Wang, L., Zhang, J., Luo, J.-L., Fu, X.-Z., A Direct Formaldehyde Fuel Cell for CO2-Emission Free Co-generation of Electrical Energy and Valuable Chemical/Hydrogen. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202302950; Angew. Chem. 2023, 135, e202302950. https://doi.org/10.1002/anie.202302950