陈乾旺/杨阳JACS：掺杂V-O的碳骨架负载Ru，用于高效耐CO催化碱性HOR

阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)由于碱性电解质腐蚀性小，可利用廉价的非贵金属催化剂(M-N-C)作为阴极而受到广泛关注。作为阴离子交换膜燃料电池不可或缺的组成部分，阳极氢氧化反应(HOR)的速率直接影响了AEMFC的性能。然而，即使是先进的Pt/C催化剂，其在碱性环境下的HOR性能也不理想(约0.4 mA μg_pt^-1@50 mV)。

主要原因是：在碱性介质中，Pt上的HOR动力学相对于酸性环境明显缓慢；另一方面，Pt催化剂容易一氧化碳(CO)中毒(甚至<10 ppm)，导致HOR的活性急剧下降。大规模工业碳氢化合物重整生产的廉价粗氢通常留有微量的CO，因此开发高活性、耐CO的碱性HOR催化剂用于大功率、低成本的AEMFC具有重要意义。

近日，中国科学技术大学陈乾旺和杨阳等将Ru纳米粒子负载在具有原子分散的V-O物种的碳骨架上(Ru/VOC)，用于高效催化碱性HOR。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，原子分散在碳载体上的V-O物种可以作为氢吸附的理想位点，使更多的氢吸附位点存在于Ru上，从而提高Ru的碱性HOR性能；而Ru纳米颗粒与碳载体之间的电子转移调节了Ru的电子结构，从而降低了Ru的氢结合能(HBE)，同时减弱了CO在Ru上的吸附。

因此，碳载体上原子分散的V-O物种与Ru纳米粒子之间的协同作用可以有效地提高催化剂的HOR活性和CO耐受性。

因此，Ru/VOC表现出优异的HOR活性，其质量活性分别是Ru-V₂O₃/OC和Ru/C的3.3倍和31.3倍，甚至比Pt/C高4.7倍。研究人员以40 wt% Pt/C作为阴极，Ru/VOC作为阳极制备了膜电极组件(MEA)，Ru/VOC阳极在2.4 A cm^-2处的峰值功率密度为1.194 W cm^-2，远远优于Ru/C阳极(1.3 A cm^-2处的峰值功率密度为0.677 W cm^-2)和Pt/C阳极(2.0 A cm^-2处的峰值功率密度为0.955 W cm^-2)。

此外，在0.1 V电压下连续运行11000 s，Ru/VOC的相对电流密度仅下降9.3%，稳定性试验后材料的结构没有明显变化；在1000 ppm CO的条件下，Ru/VOC在0.1 V下运行1800 s后，其相对电流密度仍保持90.9%，表明Ru/VOC具有优异的抗CO中毒能力。综上，该项研究首次报道了分布在碳骨架上的亲氧单原子作为羟基吸附位点用于高效HOR反应，这为合理设计高活性的碱性HOR催化剂提供了指导。

V–O species-doped carbon frameworks loaded with Ru nanoparticles as highly efficient and CO-tolerant catalysts for alkaline hydrogen oxidation. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c11734