【原】重庆大学《AFM》：​高性能直接甲酸燃料电池用新型超疏氧阳极！

直接甲酸燃料电池（DFAFCs）具有高功率密度和理论电池潜力的优点。因此，探索用于电化学甲酸电氧化的稳健催化剂（FAO）对于DFAFCs的广泛吸收至关重要。然而，许多具有吸引力催化剂的电极由于其表面的CO₂气泡生长缓慢和偏离步骤而遭受有限的质量传递。

来自重庆大学的学者通过在碳纸上沉积蕨类植物形的钯纳米结构阵列（Pd-nanoarray@CP）来开发超疏氧电极。其独特的超疏氧特性成功地促进了CO₂气泡以非常小的尺寸从催化剂表面释放出来。Pd-nanoarray@CP具有特异性纳米阵列形貌、水下超疏氧性优越、气泡释放快等优点，对FAO具有电荷/传质速率快、电催化活性高、稳定性好等优点。本文在微流体平台上成功制造了配备Pd-nanoarray@CP阳极的直接甲酸燃料电池。峰值功率密度为35.8 mW cm⁻²，极限电流密度为173.3 mA cm⁻²，分别比传统Pd-black阳极高49.2%和33.0%。具有超干旱界面的电极可以更深入地了解FAO的效率机制，并为商业上可行的DFAFCs的可能应用带来希望。相关文章以“Novel Superaerophobic Anode with Fern-Shaped Pd Nanoarray for High-Performance Direct Formic Acid Fuel Cell”标题发表在Advanced Functional Materials。

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https:///10.1002/adfm.202201872

图1. a-d) 超厌氧蕨形Pd-nanoarray@CP 电极的合成示意图；e-g) 不同放大倍数的 SEM 图像；h) XRD图谱；i) 水接触角；j) Pd-nanoarray@CP电极的气泡接触角。

图2. a) 0.5 M H ₂ SO ₄溶液中的CV曲线 ；b) ECSA 区域；c) 0.1  M H ₂ SO ₄  + 0.1  M HCOOH 溶液中的 CV 曲线；d) FAO的活性；e) 在 0.3 V 下和在0.5  M H ₂ SO ₄  + 0.5  M HCOOH 溶液中测量的奈奎斯特图，并使用等效电路模型（插入）和 f) Pd-nanoarray@CP 电极在不同催化剂负载下的质量归一化 ECSA 值进行了分析。

图3. 制备的Pd-nanoarray@CP 电极的 SEM 图像，催化剂负载量为 a) 0.21 mg，b) 0.315 mg，c) 0.42 mg，d) 0.63 mg。

图4. a,c,e) Pd-black@CP 和 b,d,f) Pd-nanoarray@CP 电极表面的尺寸分布、释放气泡示意图和SEM 图像。

图5. 在 0.1 M H₂SO₄  + 0.1  M HCOOH 溶液中测量的 CV 曲线，分别归一化为 a) 金属负载和 b) ECSA 值；c) Pd-nanoarray@CP 和 Pd-black@CP 电极对 FAO 反应的 Tafel 图，来自于在 0.1  M H₂SO₄  + 0.1  M HCOOH 溶液中测量的线性扫描伏安图；d） 两个电极的奈奎斯特图，在0.5 M H₂SO₄ + 0.5 M HCOOH溶液中以0.3 V测量，并使用等效电路模型进行分析（见插入）;e) Pd-nanoarray@CP电极的峰值电流密度与扫描速率平方根的关系； f) 在 0.4 V 的 0.1 M H₂SO₄  + 0.1  M HCOOH 溶液中测量的两个电极上 FAO 反应的 CA 曲线。

图6. a) AMFC架构示意图；b,c) AMFC 与 Pd-nanoarray@CP 和Pd-black@CP 阳极的电池性能比较。d) 将这项工作的最大功率密度与近年来使用甲酸作为燃料的吸气式微流体燃料电池的文献数据进行比较。

本文通过简便的电沉积方法成功开发了具有超疏水界面的 Pd-nanoarray@CP，以促进 FAO 反应并提高 DFAFC 性能。制备的 Pd-nanoarray@CP 电极在空气中表现出超亲水性，在水下表现出超厌氧性。通过控制催化剂负载量成功优化了 ESCA 值和 FAO 活性。独特的纳米阵列结构可以促进质量传输和气泡离开。Pd-nanoarray@CP 电极的质量活度为 210.3 mA  𝑚𝑔^{− 1}𝑃𝑑和1.0 mA cm ^-2的比活度，分别是碱性Pd-black@CP电极的1.6和4.9倍。

此外，本文还证明了所制备的电极具有相对较低的充电电阻和稳健的稳定性。得益于高催化活性、易传质和快速释放气泡，在1.0 m甲酸和 300 µL min ^-1条件下获得 了 35.8 mW cm ^-2的峰值功率密度燃料流量，是 Pd-black@CP 阳极燃料电池的 1.5 倍。这项工作揭示了本文制备的 Pd-nanoarray@CP 在酸性介质中用于 FAO 反应的潜力，这是由于其独特的超厌氧结构，这为商业上可行的 DFAFC 的应用提供了途径。（文：SSC）