清华新闻网4月15日电  近日，化学系王定胜教授、李亚栋院士领导的课题组在甲酸电氧化领域取得突破，相关工作以“负】载在氮掺杂碳上的单原子Rh：一种甲酸氧化的电催化剂”（Single-atom Rh/N-doped carbon electrocatalyst for formic acid oxidation）为题在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）发表。

燃料电池是一种理想的能量来源，它可以以环境友好的方式将化学能转换为电能。氢氧燃料电池作为航空飞船的主要燃料，在上世纪80年代就已经得到了发展，近年来氢氧【燃料电池在汽车上的应用也有了突飞猛进的提高。然而氢氧燃料√电池需要用体积大且危险的高压氢气作为其燃料，这限制了氢氧燃料电池的发展。而直接甲酸燃料电池(DFAFCs)由于◤其体积小，毒性小，nafion^@膜的穿透率低等优点，被认为是未来便携式电子设备最有前途的电源之一←。在之前的研究中▆，负载型纳米〇级钯和铂通常被认为是DFAFCs的■阳极反应甲酸电氧化（FOR）中最有效的催化剂，并得到了深入的研究。然而，由于FOR催化剂质量活性较低和一氧化碳№抗毒性较差， DFAFCs阳极材料的发展达到了一个瓶〗颈，极大地阻碍了其应用。 

SA-Rh/CN的合成路径示意图及其表征

在本工作中，研究人员□　使用主-客体合成策略成功地合成负载原▲子分散Rh的氮掺杂碳△催化剂(SA-Rh/CN)，发现尽管Rh纳米颗粒对甲酸氧化活性很低，但是SA-Rh/CN却具有极好的电催化性能。与最先进的♀催化剂Pd/C和Pt/C相比，SA-Rh/CN的质量◎活性分别提高了28倍和67倍。有趣的是，在CO剥离实验中，我们发现虽然纳米级Rh催化剂对CO毒性十分敏感，但是SA-Rh/CN很难吸附CO并且可¤以在很低的电压下氧化CO，这说明SA-Rh/CN对CO毒化『几乎免疫。经过长＠期反应的测试后，SA-Rh/CN中的Rh原子具有抗烧结的能力，并因此在30000s的CA测试或者20000圈ADT测试后活性几乎没有改变。在组装电池的实验中，SA-Rh/CN的质量比能量密度在不同温度♀下分别是商业钯碳催化剂的8.8倍（30^oC），14.8倍（60^oC）和14.1倍（80^oC）,这也说明了SA-Rh/CN在DFAFCs的应用中具有很高的█潜力。最后，研究者用密度泛函理论（DFT）计算了Rh单原子甲酸氧化的机〓理。研究者发现在SA-Rh/CN上，甲酸根路线更为有利。和Rh纳米颗粒具有较←低的CO吸附能垒≡不一样，SA-Rh/CN上的Rh单原子吸附CO能垒较高，以及与CO的相对不利的结合，使SA-Rh/CN具有极⊙高的CO抗毒性。

这一发←现将传统的甲酸电氧化催化剂的质量比活性提╱高了一个数量级，并且很好地解决了传统纳米催化剂的CO毒化问题。 该发现有助于在燃料电池领域取得突破，并有望应用于便携式电子设备上。

本论文〒的通讯作者是王定胜教授、李亚栋院士，清华大学博士后熊禹是本文的第一作者。本研究受到国家自然科学基金委和科＠ 技部的经费资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0665-x

供稿：化工系

编辑：李华山

审核：程曦