綠電（風(fēng)力、光伏、潮汐等）驅(qū)動的電解水工藝提供了一條“零排放”制氫途徑，但由于陽極析氧反應(yīng)（OER）緩慢的動力學(xué)和高的過電位，極大地增加了電解制氫成本，近年來，陽極替代策略在改善反應(yīng)動力學(xué)和降低過電位方面顯示出良好的應(yīng)用前景。近日，我校beat365岳海榮教授提出一種乙醇選擇性電氧化耦合析氫反應(yīng)的制氫策略，通過對陽極催化劑的科學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)了低能耗、無膜組件的電化學(xué)制備高純氫過程。相關(guān)研究成果“Membrane-free pure H2production over single dispersed Ru-anchored Pt3Ni alloys via coupling ethanol selective electrooxidation”發(fā)表于催化頂刊《Applied Catalysis B: Environment》（2021年影響因子24.319），論文第一作者為四川大學(xué)beat3652019級博士生周昶安，四川大學(xué)beat365岳海榮教授為該論文通訊作者。
該研究工作采用耦合乙醇的選擇性電氧化過程來改善傳統(tǒng)電解水系統(tǒng)中陽極緩慢的動力學(xué)和降低電解電壓。通過簡單的自發(fā)電位還原過程，制備了單原子Ru修飾的Pt3Ni合金催化劑，電化學(xué)測試表明，Ru1-Pt3Ni/NiF在堿性介質(zhì)中具有良好的穩(wěn)定性和4倍于商業(yè)PtC催化劑的乙醇電氧化活性。研究表明，催化劑中單分散的Ru位點不僅可以促進催化劑表面的電子轉(zhuǎn)移，還能顯著降低吸附羥基的吉布斯生成自由能，從而提升乙醇氧化活性和降低氧化反應(yīng)起始電位；同時Ru的存在引入了大量吸附羥基，促進了乙醇分子的α-脫氫和O-H斷裂，削弱乙酸在催化劑上的吸附，實現(xiàn)了乙酸產(chǎn)物的高選擇性。通過避免陽極氣相產(chǎn)物的生成，可在不使用離子交換膜的條件下制備高純氫。在構(gòu)建的Ru1-Pt3Ni/NiF ||Pt3Ni/NiF乙醇電解制氫電池中，單位制氫能耗為19.24 kWh/kgH2，較傳統(tǒng)電解水制氫能耗下降50%，制氫法拉第效率達到94%。
圖1 (a)&(b)不同PtRu比例催化劑的乙醇氧化LSV曲線；(c)不同PtRu比例催化劑的乙醇氧化Tafel曲線；(d) EOR電流密度；(e)穩(wěn)定性測試結(jié)果；(f) EIS測試曲線
圖2. (a)不同位點上的吸附羥基生成能；(b)乙醇C2路徑氧化反應(yīng)機理；(c)乙酸吸附能
該工作實現(xiàn)了乙醇的選擇性電氧化，提供了一種低成本和節(jié)能的高純氫氣制備策略，為可再生能源的電能利用開辟了新的機遇。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目（22078208）、國家自然科學(xué)基金青年項目（22008160）等項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122065.
來源：課題組供稿
審核：鈕大文
編輯：高敏
2022年11月3日
