多活性位点催化剂CoFe&AuC高效选择性催化硼氢化物氧化反应的设计与机制研究

针对直接硼氢化物燃料电池(DBFC)中硼氢化物氧化反应(BOR)催化活性低、选择性差的问题，研究人员通过构建CoFe LDH与Au纳米颗粒复合的多位点催化剂CoFe&AuC，实现了580 mW/cm2的峰值功率密度(空气氧化剂)和65.6%的燃料效率，结合原位光谱与DFT计算揭示了其串联催化机制，为DBFC阳极催化剂设计提供了新范式。

　　

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论文解读

在碳中和背景下，氢能因其清洁特性被视为理想能源载体，但其储存与运输难题制约了燃料电池发展。钠硼氢化物(NaBH₄)凭借10.6 wt%的高储氢量和安全性成为替代选择，然而直接硼氢化物燃料电池(DBFC)的核心反应——硼氢化物氧化反应(BOR)面临三重挑战：过渡金属催化剂存在严重水解副反应，贵金属金(Au)活性不足，且鲜有催化剂能同时实现高反应速率、高法拉第效率和低起始电位。

为解决这一难题，国内研究人员通过创新性设计多活性位点催化剂CoFe&AuC，将钴铁层状双氢氧化物(CoFe LDH)与碳载金纳米颗粒(AuC)复合，在仅含3.7 wt% Au的低负载量下取得突破性进展。该研究发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，揭示了串联催化机制：CoFe LDH负责快速吸附并初步氧化BH₄^-为BH₃中间体，Au纳米颗粒则高效完成BH₃深度氧化，从而突破单一组分催化瓶颈。

关键技术方法
研究采用两步法制备催化剂，通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征形貌结构，结合电化学测试评估DBFC性能。采用原位傅里叶变换红外光谱(in situ FTIR)追踪反应中间体，并利用密度泛函理论(DFT)计算阐明活性位点作用机制。

研究结果

1. 催化剂制备与表征
   XRD证实CoFe&AuC同时具备CoFe LDH和Au的特征峰。透射电镜显示Au纳米颗粒均匀分散于LDH纳米片表面，形成紧密界面接触。

2. 电化学性能突破
   在空气为氧化剂的DBFC中，CoFe&AuC峰值功率密度达580 mW/cm²，是单一组分CoFe&C(210 mW/cm²)和AuC(136 mW/cm²)的2.8倍和4.3倍；使用O₂氧化剂时更提升至1371 mW/cm²。其电子转移数达5.4，燃料效率65.6%，显著优于现有报道。

3. 反应机制解析
   原位光谱观察到BH₃中间体的特征峰，DFT计算显示CoFe位点降低BH₄^-初始氧化能垒，而Au位点促进BH₃最终氧化，二者协同实现"吸附-氧化"接力催化。

结论与意义
该研究开创了多活性位点催化剂设计新策略，首次在DBFC中实现高功率输出与高选择性的统一。通过精准调控不同组分的功能分工，解决了BOR过程中动力学缓慢与副反应并存的科学难题，为下一代燃料电池阳极催化剂开发提供了理论指导和技术储备。北京同步辐射装置等大型仪器平台为机理研究提供了关键支撑，彰显了多学科交叉的创新价值。