Angew. Chem. Int. Ed. 大連化物所李燦院士：在H2-O2燃料電池中的光輔助氧還原反應

【引言】

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種清潔而高效的能量轉換裝置，具有替代傳統化石燃料燃燒技術的潛力。 但由于其陰極上的氧還原反應（ORR）相當緩慢，從而限制了PEMFC的性能。鉑被認為是ORR的最佳催化劑; 然而，其稀缺性和高成本仍然是PEMFC的大規模商業化的最大障礙之一。為了解決這個問題，人們已經進行了巨大的努力來開發新型催化材料，例如鉑合金，核-殼鉑催化劑和無鉑雜原子摻雜的碳催化劑。或者可以使用其它能量源來促進ORR。 例如，光激發可以調節光催化劑中的電子密度分布，這可以提高催化活性。在光催化降解中，隨著光生電子將分子氧還原為強氧化物質（例如H₂O₂和O^2-），用O₂對污染物的氧化顯著加速。因此，光生電子似乎可以促進氧完全還原為水。

【成果簡介】

近日，中科院大連化學物理研究所的李燦院士（通訊作者）課題組在Angew. Chem. Int. Ed.上發文，題為“Photoassisted Oxygen Reduction Reaction in H2–O2 Fuel Cells”。該研究小組提出ORR活性在聚噻吩（pTTh）電極照射時大大增強。 起始電勢從0.66正向偏移到1.34V，電流在0.6V下增加了44倍。一種概念驗證的光驅動H₂-O₂燃料電池被組裝而成; 在照射時，V_oc從0.64增加到1.18V，并且J_sc值也加倍。這些結果表明光輔助H₂-O₂燃料電池可以被認為是結合聚合物太陽能電池和常規燃料電池的串聯結構。

【圖文導讀】

圖一：LSV曲線

a）掃描速率為10mV s^-1和在黑暗中或在照明下的1600rpm的旋轉速率下，在O₂飽和的0.10m KOH電解質中pTTh的LSV曲線；JM-20％Pt / C用于對照。

b）根據在照明下，1600rpm的RRDE試驗計算的H₂O₂的產率和在ORR中轉移的電子的數量。 使用氙燈作為光源，電極表面的光強度為300mW cm^-2。

圖二：材料表征

a）SEM圖像，b）HR-SEM圖像，c，d）TEM圖像和e）pTTh膜的UV / Vis吸收光譜。

f）pTTh / GCE在含有0.10m四丁基六氟磷酸銨的乙腈中的循環伏安圖，掃描速率為20mV s-1; 測量二茂鐵鹽/二茂鐵（Fc / Fc ⁺）氧化還原電位以校準偽參比電極（在本研究中為0.052V vs.Ag）。

g）（f）中伏安圖的放大圖像。

h）能量圖顯示了在絕對真空能中計算的HOMO和LUMO的pTTh水平和相對于NHE的電勢。

圖三：H2-O2燃料電池的性能

a）具有pTTh光電陰極的概念驗證光驅動H2-O2燃料電池的性能。

b）比較基于pTTh的燃料電池與具有Pt / C陰極的H2-O2燃料電池的性能。 使用氙燈作為光源，pTTh表面的光強度為300mW cm ^-2。

圖四：工作原理

a）串聯電池的工作原理。

b）pTTh上氧還原的示意能量圖。

圖五：ORR極化曲線和電流直方圖

在580 nm和385 nm波長的單色光照射下的pTTh/GCE 的ORR極化曲線，具有相同的光照強度（a）和不同的光照強度（c）。b、d）?電流直方圖（a）和（c）在固定電位。LED -50?%，LED -75?%，和LED -100%單色光的光照強度；在電極表面的光照強度（光源和電極之間的距離是5?厘米）如下：580?nm LED -50?%：9.7?mW?cm^?2；580?nm LED-75?%: 14.3?mW? cm^?2；580?nm LED-100?%: 18.2?mW? cm^?2；385?nm LED-50?%: 102?mW? cm^?2；385?nm LED-75?%: 164?mW? cm^?2；385?nm LED-100?%: 224?mW? cm^?2；該試驗是O₂飽和的0.10?M KOH電解質在掃描速率為10 mV?s^?1和1600?RPM轉速下測量的。

【總結】

研究小組提出在光照射下，通過將電催化與光催化相結合，聚合物半導體光電極的ORR顯著增強。這種新穎的設計能夠同時利用光和電化學能量，產生優越的性能。

文獻鏈接：Photoassisted Oxygen Reduction Reaction in H₂-O₂ Fuel Cells（Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI:?10.1002/ange.201607118）

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