近期，中科院合肥研究院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部環(huán)境與能源納米材料中心在以有機(jī)物5-羥甲基糠醛作為燃料的燃料電池研究中取得新進(jìn)展，合成了負(fù)載在炭黑上的鉑與硫化鎳納米顆粒雙功能催化劑（PtNiS_x/CB），不僅可以催化陽極燃料5-羥甲基糠醛（HMF）氧化為2,5-呋喃二甲酸（FDCA），還能驅(qū)動陰極氧還原反應(yīng)，實現(xiàn)在輸出能量的同時將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r值的產(chǎn)物。相關(guān)研究成果以“Sustainable 2,5-furandicarboxylic synthesis by a direct 5-hydroxymethylfurfural fuel cell based on a bifunctional PtNiS_x catalyst”為題發(fā)表在Chemical Communications 上。 

　　FDCA有望在化工生產(chǎn)中取代對苯二甲酸合成聚合物，是一種重要的近市場化工產(chǎn)品，主要通過熱催化、光催化、電催化等方式氧化HMF得到。其中電化學(xué)策略可以與電化學(xué)析氫反應(yīng)（HER）或電催化有機(jī)氫化合成相結(jié)合，產(chǎn)生額外的高附加值產(chǎn)品，同時提高能量轉(zhuǎn)換效率。而可持續(xù)和更加節(jié)能的電催化FDCA合成工藝一直是燃料電池研究中備受關(guān)注的熱點(diǎn)。 

　　燃料電池作為一種可持續(xù)的能量轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)，因其能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的研究和發(fā)展。燃料電池技術(shù)包含了兩個重要的化學(xué)反應(yīng)，即陽極的燃料氧化反應(yīng)以及陰極氧氣還原反應(yīng)（ORR），都需要利用高效且價格相對低廉的催化劑來降低反應(yīng)能壘，進(jìn)而提高反應(yīng)動力學(xué)。 

　　基于此，科研人員設(shè)計了氧還原與有機(jī)合成相結(jié)合的直接HMF燃料電池（DHMF-FC）形式，并采用浸漬、熏硫與煅燒的策略合成了雙功能PtNiS_x催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，鉑與硫化鎳間存在著界面，Pt和NiS_x納米顆粒之間密切的相互作用與界面效應(yīng)使得該催化劑具有良好的電化學(xué)ORR和HMF氧化催化活性。此外，NiS_x的引入有利于ORR四電子反應(yīng)過程進(jìn)行，硫元素也能有效防止金屬顆粒的團(tuán)聚。半電池的電化學(xué)測試和ICP-AES測試結(jié)果顯示，PtNiS_x/CB具有優(yōu)異的ORR與OER性能，電化學(xué)活性面積（79 m² gPt^-1）高于商業(yè)Pt/C（64 m² gPt^-1），且其中鉑的負(fù)載量（7.60 wt%）遠(yuǎn)低于商業(yè)鉑碳（20 wt%）。加入HMF后的燃料電池在60℃時，開路電壓為0.52 V，放電效率達(dá)2.12 mW cm^-2，電流密度為6.8 mA cm^-2；對放電反應(yīng)電解液進(jìn)行液相色譜檢測，發(fā)現(xiàn)HMF幾乎完全轉(zhuǎn)化為FDCA，轉(zhuǎn)化率接近98%，選擇性達(dá)到100%。該工作將有助于設(shè)計和發(fā)展雙功能的燃料電池電催化劑。 

　　該工作得到了國家自然科學(xué)基金，安徽省自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的支持。 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D0CC06087A