近日，我所催化基础国家重点实验室能源与环境小分子催化研究组（509组）邓德会研究员、崔晓菊副研究员团队在室温电化学水气变换制高纯度氢气的研究中取得新进展。团队发现Pd与Cu的合金化能够显著提升阳极电化学CO的氧化活性，进而提高室温电化学水气变换制高纯度氢气的效率。
2019年，邓德会团队经过长期探索，结合电化学反应原理，将水气变换的氧化还原反应拆分为彼此分离的两个半反应，提出了一种能在常温常压下直接制备高纯氢气的室温电化学水气变换（RT-EWGS）概念（Nat. Commun.，2019）。反应中，CO在阳极发生氧化反应，生成的CO2与电解质KOH进一步反应生成碳酸钾，避免了CO2的排放；同时水在阴极直接被还原生成高纯度氢气。然而，阳极CO氧化的反应动力学缓慢，极大影响了RT-EWGS的产氢效率，开发低成本、高效的阳极电催化剂以提高CO氧化反应活性对RT-EWGS产氢效率的提升具有重要意义。
本工作中，邓德会团队开发了一种碳纳米管负载的PdCu纳米颗粒（Pd0.7Cu/CNTs）催化剂，通过将Pd和Cu合金化来提高阳极CO电化学氧化活性，进而提高RT-EWGS的产氢效率。研究发现，当电位为0.3V时，阳极电化学CO氧化的质量活性可达19.9mA/mgPd，比碳纳米管负载的Pd纳米颗粒（Pd/CNTs）催化剂活性高出330倍以上；在0.2V时，Pd0.7Cu/CNTs催化剂质量活性比之前报道的Pt2.7Cu催化剂高了近5倍，显著降低了贵金属的用量。团队结合DFT理论计算发现，PdCu合金催化剂在阳极CO氧化过程中，吸附的CO（CO*）更容易与吸附的OH（OH*）反应，而不是与溶液中的OH-反应，Cu的引入使Pd对CO*吸附减弱，对OH*吸附增强，通过优化反应路径进而降低了RT-EWGS的过电位。该研究为RT-EWGS高效阳极催化剂的设计提供了新方向。
相关成果以“Alloying Pd with Cu boosts hydrogen production via room-temperature electrochemical water-gas shift reaction”为题，发表在Nano Energy上。该工作得到了国家自然科学基金、中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”、我所创新基金、国家教育部能源材料化学协同创新中心（2011·iChEM）等项目的支持。（文/图 魏会方、崔晓菊）
