Angew. Chem. Int. Ed. 大连化物所李灿院士：在H2-O2燃料电池中的光辅助氧还原反应

【引言】

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种清洁而高效的能量转换装置，具有替代传统化石燃料燃烧技术的潜力。 但由于其阴极上的氧还原反应（ORR）相当缓慢，从而限制了PEMFC的性能。铂被认为是ORR的最佳催化剂; 然而，其稀缺性和高成本仍然是PEMFC的大规模商业化的最大障碍之一。为了解决这个问题，人们已经进行了巨大的努力来开发新型催化材料，例如铂合金，核-壳铂催化剂和无铂杂原子掺杂的碳催化剂。或者可以使用其它能量源来促进ORR。 例如，光激发可以调节光催化剂中的电子密度分布，这可以提高催化活性。在光催化降解中，随着光生电子将分子氧还原为强氧化物质（例如H₂O₂和O^2-），用O₂对污染物的氧化显着加速。因此，光生电子似乎可以促进氧完全还原为水。

【成果简介】

近日，中科院大连化学物理研究所的李灿院士（通讯作者）课题组在Angew. Chem. Int. Ed.上发文，题为“Photoassisted Oxygen Reduction Reaction in H2–O2 Fuel Cells”。该研究小组提出ORR活性在聚噻吩（pTTh）电极照射时大大增强。 起始电势从0.66正向偏移到1.34V，电流在0.6V下增加了44倍。一种概念验证的光驱动H₂-O₂燃料电池被组装而成; 在照射时，V_oc从0.64增加到1.18V，并且J_sc值也加倍。这些结果表明光辅助H₂-O₂燃料电池可以被认为是结合聚合物太阳能电池和常规燃料电池的串联结构。

【图文导读】

图一：LSV曲线

a）扫描速率为10mV s^-1和在黑暗中或在照明下的1600rpm的旋转速率下，在O₂饱和的0.10m KOH电解质中pTTh的LSV曲线；JM-20％Pt / C用于对照。

b）根据在照明下，1600rpm的RRDE试验计算的H₂O₂的产率和在ORR中转移的电子的数量。 使用氙灯作为光源，电极表面的光强度为300mW cm^-2。

图二：材料表征

a）SEM图像，b）HR-SEM图像，c，d）TEM图像和e）pTTh膜的UV / Vis吸收光谱。

f）pTTh / GCE在含有0.10m四丁基六氟磷酸铵的乙腈中的循环伏安图，扫描速率为20mV s-1; 测量二茂铁盐/二茂铁（Fc / Fc⁺）氧化还原电位以校准伪参比电极（在本研究中为0.052V vs.Ag）。

g）（f）中伏安图的放大图像。

h）能量图显示了在绝对真空能中计算的HOMO和LUMO的pTTh水平和相对于NHE的电势。

图三：H2-O2燃料电池的性能

a）具有pTTh光电阴极的概念验证光驱动H2-O2燃料电池的性能。

b）比较基于pTTh的燃料电池与具有Pt / C阴极的H2-O2燃料电池的性能。 使用氙灯作为光源，pTTh表面的光强度为300mW cm^-2。

图四：工作原理

a）串联电池的工作原理。

b）pTTh上氧还原的示意能量图。

图五：ORR极化曲线和电流直方图

在580 nm和385 nm波长的单色光照射下的pTTh/GCE 的ORR极化曲线，具有相同的光照强度（a）和不同的光照强度（c）。b、d） 电流直方图（a）和（c）在固定电位。LED -50 %，LED -75 %，和LED -100%单色光的光照强度；在电极表面的光照强度（光源和电极之间的距离是5 厘米）如下：580 nm LED -50 %：9.7 mW cm⁻²；580 nm LED-75 %: 14.3 mW  cm⁻²；580 nm LED-100 %: 18.2 mW  cm⁻²；385 nm LED-50 %: 102 mW  cm⁻²；385 nm LED-75 %: 164 mW  cm⁻²；385 nm LED-100 %: 224 mW  cm⁻²；该试验是O₂饱和的0.10 M KOH电解质在扫描速率为10 mV s⁻¹和1600 RPM转速下测量的。

【总结】

研究小组提出在光照射下，通过将电催化与光催化相结合，聚合物半导体光电极的ORR显著增强。这种新颖的设计能够同时利用光和电化学能量，产生优越的性能。

文献链接：Photoassisted Oxygen Reduction Reaction in H₂-O₂Fuel Cells（Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI:10.1002/ange.201607118）

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