骆静利院士&符显珠教授团队Angew：无CO2排放的直接甲醛燃料电池实现电能、氢气及甲酸盐共生

一、 【导读】 

将碳基分子燃料高效而清洁地转化为电能，且不排放CO₂仍然是一个挑战。传统燃料电池使用贵金属作为阳极催化剂的常见问题包括CO中毒导致性能下降以及与CO₂产生相关的一系列问题。

二、【成果掠影】

近日，深圳大学材料学院骆静利院士、符显珠教授课题组开发了一种无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。

相关研究文章以“A Direct Formaldehyde Fuel Cell for CO₂-Emission Free Co-generation of Electrical Energy and Valuable Chemical/Hydrogen”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

 三、【核心创新点】

1.燃料电池的核心是Cu纳米片阵列，支撑在Cu泡沫（CF）上。它被设计为高活性和选择性的电催化阳极，以确保同时将甲醛转化为甲酸和氢气。

2.合成的Cu纳米片阵列电极允许燃料电池达到最高1 V的开路电压和350 mW cm⁻²的峰值功率密度。这个独特的配置可以从53 mol的甲醛燃料产生1 kWh的电力，62 Nm³的氢气和53 mol的甲酸。

 四、【数据概览】

图1 (a) 铜纳米片阵列合成原理的示意图。(b-c) CF的扫描电子显微镜（SEM）图像和(d-e) CF@Cu-NS的SEM图像。(f) Cu纳米片的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像和相应FFT图案的插图。© 2023 Wiley

图2 (a) 在1M KOH中收集的CF@Cu-NS和原始CF的CV曲线。 (a) 插图是在1 M KOH中收集的原始CF的放大CV曲线。(b) CF@Cu-NS在有和没有甲醛(HCHO)的条件下的LSV曲线。© 在1M KOH + 50mM HCHO中收集的CF@Cu-NS、原始铜泡沫(CF)和铂箔的LSV曲线。(d) 用来确定Cu催化剂对甲醛氧化的活性相的控制性实验。© 2023 Wiley

图3 (a) 这是Cannizzaro不均分反应的影响（插图是反应发生时的放大图像）。 (b) 1电子途径的Faradaic效率。(c) CF@Cu-NS在1M KOH+50mM HCHO中的i-t曲线及相应的1电子途径Faradaic效率。(d) 在用D₂O作为电解质溶剂的1M NaOD中使用50mM HCHO的情况下，在CF@Cu-NS上以脉冲电位0.2V_RHE下的DEMS信号，信号m/z=2、3和4。© 2023 Wiley

图4在Cu（111）阳极表面上，甲醛氧化的预测反应途径和相应的自由能图。© 2023 Wiley

图5 (a) 直接甲醛燃料电池的示意图。(b) 直接甲醛燃料电池的极化和功率密度曲线。(c) 实验收集的氢气量与根据1电子途径的甲醛电氧化理论计算的氢气量进行比较，假设电压效率为100%。 (d) 在恒定电池电压下的耐久性测试。© 2023 Wiley

五、【成果启示】

本文开发了一种直接甲醛燃料电池，可以同时产生电能和有价值的化学品（甲酸盐和氢气），而不产生CO₂温室气体排放。在−0.1 V_RHE–0.3 V_RHE的范围内，甲酸盐和氢气通过甲醛电氧化的1电子途径在金属铜阳极上生成，而不产生CO₂排放。通过同时电氧化和化学还原获得的铜纳米片阵列的独特结构确保了相当大的响应电流。此外，通过DFT计算和DEMS，作者发现氢气来自C−H键的断裂。重要的是，该燃料电池每发电1千瓦时可以转化53摩尔甲醛并产生0.62 Nm³ H₂。这项研究为甲醛的环保处理、有价值化学品的生产和燃料电池发电提供了创新策略。

原文详情：Yang, Y., Wu, X., Ahmad, M., Si, F., Chen, S., Liu, C., Zhang, Y., Wang, L., Zhang, J., Luo, J.-L., Fu, X.-Z., A Direct Formaldehyde Fuel Cell for CO2-Emission Free Co-generation of Electrical Energy and Valuable Chemical/Hydrogen. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202302950; Angew. Chem. 2023, 135, e202302950. https://doi.org/10.1002/anie.202302950