将碳基燃料有效地直接转化为电而没有CO2或污染物排放，将是一种有发展潜力的能源解决方案。C1分子（甲醇、甲醛和甲酸）具有高的电化学氧化活性和体积能量密度，可作为燃料电池的燃料或储氢分子。但由于贵金属电极上C1分子的高电化学活性，它们部分会被完全氧化为CO2。除成本高昂外这还对燃料电池造成两个方面的影响，首先是中间产物COad的生成会导致贵金属催化剂中毒并使输出功率快速下降；其次，在碱性体系中， 由于CO2生成而产生的CO32-物种可能与杂质离子形成不溶物质，这两点都将对燃料电池的稳定运行造成不利影响。尽管氢氧燃料电池能量转化效率高且没有CO2排放，但H2需要通过产生大量CO2排放的化石燃料重整或能耗高的电解水来生产。因此，在廉价的非贵金属电催化剂上高选择性和高效率地氧化C1分子以用于无CO2排放的燃料电池，以及实现H2的低能耗生产具有非常大的现实意义和经济价值。
近日，深圳大学材料学院骆静利院士、符显珠教授课题组在燃料电池领域取得重要研究进展，在《德国应化》杂志发表了题为“A Direct Formaldehyde Fuel Cell for CO2-Emission Free Co-generation of Electrical Energy and Valuable Chemical/Hydrogen”的研究论文。该论文开发了一种无CO2排放的直接甲醛燃料电池，使电力、H2与有价化学品甲酸盐能够同时生产，燃料电池每产生1 kWh的电，会产生0.62 Nm3的H2和53 mol的甲酸盐，开路电压高达1 V，峰值功率密度为350 mW/cm2。深圳大学材料学院符显珠教授为论文通讯作者，材料学院博士后杨洋为第一作者，深圳大学为第一完成单位。
该研究中团队采用铜纳米片阵列电极作为高活性的阳极，该阳极反应是实现直接甲醛燃料电池在发电同时产氢和产甲酸盐的关键。与传统的碳基分子电氧化不同，铜电极能够高选择性（~ 100%）地将甲醛氧化为甲酸盐和H2，而不经历CO2途径。此外，微分电化学质谱（DEMS）和密度泛函理论（DFT）计算结果表明，Cu表面的活性H原子来源于醛基中C-H键的断裂，且更倾向以H2而不是H2O的形式释放。该研究为碳基分子燃料的高效利用开辟了一个无二氧化碳排放的发展方向，也为甲醛的环保处理、有价值化学品的生产和燃料电池发电提供了一种创新策略。
图1 直接甲醛燃料电池示意图
项目支持：该研究得到了国家自然科学基金委员会、深圳市科技创新委员会以及深圳大学高层次人才启动基金的大力支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302950
科研动态