V-O基元掺杂的碳负载钌纳米粒子作为高效且耐CO毒化催化剂用于碱性氢氧化反应

       阳极氢氧化反应(HOR)的速率直接影响阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)的性能。然而，即使是较先进的Pt/C催化剂，其在碱性环境中的HOR性能也不理想。一方面，碱性介质中Pt上的HOR动力学较酸性条件下明显变慢；另一方面，Pt催化剂易受进料气体中微量的一氧化碳(CO)的毒化，导致HOR活性急剧下降。而钌具有类铂的氢结合能和更高的亲氧性，是碱性HOR极具潜力的催化剂。但是纯Ru/C催化剂因其过强的亲氧性和固有CO耐受性不佳，难以表现出预期的令人满意的HOR活性和抗CO毒化能力,而常用的钌/氧化物异质结调控策略，存在导电性差、界面处活性位点少等缺点。

近日，针对上述问题，中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心和材料科学与工程系陈乾旺教授课题组提出了一种“将钌纳米颗粒负载到V-O基元掺杂的碳骨架上”的策略，V-O位点较强的亲氧性使其替代钌成为OH*吸附位点成为可能，同时V-O掺杂能改变碳基底的功函数，促进Ru与碳基底之间的电子转移，调节Ru的电子结构，优化反应中间体吸附能，同时这种结构能极大释放钌界面活性位点。该催化剂（Ru/VOC）在碱性氢氧化反应中表现出优异的电催化质量活性和抗CO毒化能力，以其为阳极催化剂组装的阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）也显示出优异的性能。这是在碱性氢氧化领域首次报道用碳基底上分布的亲氧金属单原子作为OH*吸附位点，构建异质结构用于高效HOR。该研究成果发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society杂志上。

实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，V−O是理想的OH*吸附位点，使得Ru上释放出更多的氢吸附位点。并且Ru纳米颗粒向碳基底的电子转移调节了Ru的电子结构，降低了Ru上的氢结合能(HBE)和CO吸附能，从而提高了催化剂的碱性HOR活性和CO耐受性。该催化剂质量活性可达3.44 mA/μg_PGM @50mV，优于大多数钌基催化剂，并且表现出较好的稳定性和耐CO毒化能力。以其为阳极催化剂，40wt. % Pt/C为阴极催化剂组装成的AEMFC，在H₂-O₂条件下的峰值功率密度达到1.194 W/cm²，优于同等测试条件下的商业Pt/C阳极催化剂。该工作为设计高活性、耐CO毒化的钌基电催剂提供了一种新思路。

中国科学技术大学化学与材料科学学院博士研究生王鹏程和中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员杨阳为该论文共同第一作者，杨阳副研究员/陈乾旺教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。