陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)由于堿性電解質(zhì)腐蝕性小，可利用廉價(jià)的非貴金屬催化劑(M-N-C)作為陰極而受到廣泛關(guān)注。作為陰離子交換膜燃料電池不可或缺的組成部分，陽極氫氧化反應(yīng)(HOR)的速率直接影響了AEMFC的性能。然而，即使是先進(jìn)的Pt/C催化劑，其在堿性環(huán)境下的HOR性能也不理想(約0.4 mA μg_pt^-1@50 mV)。

主要原因是：在堿性介質(zhì)中，Pt上的HOR動力學(xué)相對于酸性環(huán)境明顯緩慢；另一方面，Pt催化劑容易一氧化碳(CO)中毒(甚至<10 ppm)，導(dǎo)致HOR的活性急劇下降。大規(guī)模工業(yè)碳?xì)浠衔镏卣a(chǎn)的廉價(jià)粗氫通常留有微量的CO，因此開發(fā)高活性、耐CO的堿性HOR催化劑用于大功率、低成本的AEMFC具有重要意義。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳乾旺和楊陽等將Ru納米粒子負(fù)載在具有原子分散的V-O物種的碳骨架上(Ru/VOC)，用于高效催化堿性HOR。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，原子分散在碳載體上的V-O物種可以作為氫吸附的理想位點(diǎn)，使更多的氫吸附位點(diǎn)存在于Ru上，從而提高Ru的堿性HOR性能；而Ru納米顆粒與碳載體之間的電子轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)了Ru的電子結(jié)構(gòu)，從而降低了Ru的氫結(jié)合能(HBE)，同時減弱了CO在Ru上的吸附。

因此，碳載體上原子分散的V-O物種與Ru納米粒子之間的協(xié)同作用可以有效地提高催化劑的HOR活性和CO耐受性。

因此，Ru/VOC表現(xiàn)出優(yōu)異的HOR活性，其質(zhì)量活性分別是Ru-V₂O₃/OC和Ru/C的3.3倍和31.3倍，甚至比Pt/C高4.7倍。研究人員以40 wt% Pt/C作為陰極，Ru/VOC作為陽極制備了膜電極組件(MEA)，Ru/VOC陽極在2.4 A cm^-2處的峰值功率密度為1.194 W cm^-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Ru/C陽極(1.3 A cm^-2處的峰值功率密度為0.677 W cm^-2)和Pt/C陽極(2.0 A cm^-2處的峰值功率密度為0.955 W cm^-2)。

此外，在0.1 V電壓下連續(xù)運(yùn)行11000 s，Ru/VOC的相對電流密度僅下降9.3%，穩(wěn)定性試驗(yàn)后材料的結(jié)構(gòu)沒有明顯變化；在1000 ppm CO的條件下，Ru/VOC在0.1 V下運(yùn)行1800 s后，其相對電流密度仍保持90.9%，表明Ru/VOC具有優(yōu)異的抗CO中毒能力。綜上，該項(xiàng)研究首次報(bào)道了分布在碳骨架上的親氧單原子作為羥基吸附位點(diǎn)用于高效HOR反應(yīng)，這為合理設(shè)計(jì)高活性的堿性HOR催化劑提供了指導(dǎo)。

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