接力催化助力乙醇完全电氧化
乙醇的不完全氧化是限制乙醇燃料电池能量密度输出的重要影响因素之一。由于，乙醇氧化过程中C-C键离解能高（87.3 kcal/mol），即使在活性较高的Pt催化剂表面，其C1反应路径（产物为CO2，转移12电子；C2路径产物为乙醛/乙酸，转移2/4电子）选择性也仅为7.5%。构建PtM合金催化剂、双位点催化剂、Pt催化剂表面修饰等是提高乙醇氧化C1路径选择性的有效策略，但目前C1路径选择性很少达到100%。近日，中国人民解放军空军勤务学院的陈腾博士、胡建强教授、南京大学的丁维平教授、中南大学的刘敏教授，设计了双位点催化剂Pt/Al2O3@TiAl，通过接力催化，实现了乙醇的完全电氧化。
图1. 乙醇在Pt/Al2O3@TiAl催化剂表面反应路径。图片来源：Angew. Chem.
利用TiAl合金表面未沉积Pt部分形成的Al2O3对乙醇的脱水作用，先将乙醇脱水形成乙烯，由于C=C键在Pt催化剂表面的离解能低（6.4 kcal/mol），乙烯可在Pt表面完全氧化成CO2。原位红外和原位质谱表征结果表明乙醇在Pt/Al2O3@TiAl催化剂表面氧化过程中无C2产物生成，C1反应路径的选择性为100%。
图2. 乙醇氧化反应原位红外和原位质谱测试结果。图片来源：Angew. Chem.同时，在沉积Pt过程中，TiAl合金溶解的部分Al与Pt一起沉积，掺杂在Pt催化剂中。同步辐射和理论计算表明，掺杂的Al原子可调节Pt的电子结构，降低反应产物在Pt表面的吸附的能。TiAl合金表面形成的Al2O3会保护TiAl合金，提高了催化剂在酸性电解液中的稳定性。
图3. 同步辐射测试及结构分析结果。图片来源：Angew. Chem.原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Accelerating Ethanol Complete Electrooxidation via Introducing Ethylene as the Precursor for the C−C Bond Splitting
Teng Chen, Shen Xu, Taotao Zhao, Xiaohang Zhou, Jianqiang Hu, Xin Xu, Chenjia Liang, Min Liu, Weiping DingAngew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202308057
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