刘卫教授团队在非贵金属气凝胶电催化甲醇氧化研究中取得重要进展

       我集团刘卫教授团队在非贵金属气凝胶电催化甲醇氧化研究中取得重要进展，该工作近期以High-Performance Bismuth-doped Nickel Aerogel Electrocatalyst for Methanol Oxidation Reaction为题发表在Angew. Chem. Int. Ed. (2020, DOI: 10.1002/anie. 202004314)上。第一单位为ok138cn太阳集团，Amare Aregahegn Dubale副研究员和博士生郑远远为本研究的共同第一作者，我集团的刘卫教授为通讯作者，我集团的杨静副研究员、化学学院的郑治坤教授和中国科学院大连化学物理研究所的张江威博士为本研究工作的共同通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、太阳集团tyc138“百人计划”启动经费的资助，以及上海和北京同步辐射光源的大力支持（BL14W1线站和1W1B线站）。

图1. 非贵金属气凝胶Ni₉₇Bi₃的结构和甲醇氧化示意图

       由于能源供需不平衡、化石燃料的快速消耗和日益严重的环境问题，发展绿色、可再生能源技术势在必行。其中，直接甲醇燃料电池（DMFC）具有能量密度高、储存和分配方便、转换效率高、排放低、操作简单等优点，具有广阔的应用前景。尽管铂（Pt）和铂（Pt）基材料在DMFC阳极的甲醇氧化反应（MOR）具有十分优异的电催化性能，然而成本高、动力学迟钝、活性不足和易受CO毒害失活等缺点，极大地限制了Pt基材料的大规模应用。因此，亟需开发基于非贵金属的MOR电催化剂材料。目前，非贵金属催化剂材料普遍存在活性低、起始电位高、电导率低以及耐久性差等问题。鉴于此，刘卫教授团队采用了一种通过在过渡金属气凝胶（Ni）上掺杂亲氧性后过渡金属（Bi），从而实现气凝胶网络骨架表面电子结构调整的策略，制备出对MOR既具有高的电催化活性又具有长耐久性的非贵金属气凝胶Ni₉₇Bi₃（图1）。该新型材料的电催化MOR活性和稳定性与文献报道的非贵金属材料MOR电催化剂相比均处于领先地位。

       系统深入的研究表明，在Ni₉₇Bi₃气凝胶表面掺杂微量的单原子分散的Bi（图2a,b），可以使Ni的d带中心发生最佳位移（图2d10），并使Bi的收缩应力最大（图2d9），且大大提高了气凝胶电催化剂整体的电导率（图2d3）。Ni₉₇Bi₃气凝胶特殊的电子结构和气凝胶独特的大比表面积（图2d5）以及三维多孔形貌（图2a，图2d6）完美结合，提供了丰富的电催化活性中心、快速的电子转移和传质扩散（图2d7）、以及优异的抗CO毒化性能，最终赋予Ni₉₇Bi₃气凝胶在电催化MOR过程中的高催化活性和长耐久性（图2c）。本工作对设计高性能非贵金属电催化剂具有很好的指导意义。

图2.（a）TEM和STEM-EDS mapping图，（b）WTEXAFS图，（c）电催化性能图和（d）性能影响因素综合图

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202004314。