中温直接乙醇燃料电池电催化剂设计的进展：机理、C1 选择性与燃料电池性能

《Sustainable Materials and Technologies》：Advances in electrocatalyst design for intermediate-temperature direct ethanol fuel cells: mechanisms, C1 selectivity, and fuel cell performance

　　

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  回顾了中间温度直接乙醇燃料电池电催化剂设计的最新进展。
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  探讨了乙醇电氧化的C1和C2路径及电催化机制。
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  展望了用于增强直接乙醇燃料电池C1路径的新型高性能电催化剂。

引言

化石燃料燃烧对全球经济和生态系统造成深刻破坏，资源枯竭、环境污染和温室气体排放加剧使这一危机日益严重。向可持续、低碳循环经济的转型高度依赖于可再生能源，如太阳能、风能、潮汐能、地热能和生物质能[1]、[2]。然而，这些可再生能源的间歇性特征要求先进的能量转换和存储系统以确保可靠供应。通过开发各种有前景的清洁能源技术可以缓解并解决这一挑战，例如常规可充电电池、氧化还原液流电池和电催化系统[3]、[4]、[5]、[6]。其中，电催化能量转换因其化学能和电能之间的无缝转换，在小型和大型应用中均展现出巨大潜力[7]。

在这一类别中，燃料电池尤其具有吸引力，通过直接将近似60%的燃料（如氢气、乙醇、甲醇）中储存的化学能转化为电能，实现高达约60%的电效率[8]、[9]。根据工作温度，燃料电池大致分为低温（LT，<100 °C）、中间温度（IT，100–400 °C）或高温（HT，500–1000 °C）系统[7]、[8]。与气态氢气相比，液态燃料在成本、安全性以及生产、运输和车载储存的便捷性方面具有显著优势，使其成为电动和混合动力车辆（EVs和HEVs）移动应用的理想选择。包括甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、甘油和甲酸在内的各种液态燃料已在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中进行探索，其通用阳极和阴极反应总结于表1[10]。其中，乙醇因其高理论能量密度（8.01 kWh·kg^?1，比甲醇高约30%）、无毒特性、可从大规模生物质发酵中 readily 获取以及近零净温室气体排放而脱颖而出，成为极具前景的候选燃料[11]。

尽管具有这些优势，但不完全的乙醇电氧化和缓慢的阳极动力学严重限制了直接乙醇燃料电池（DEFCs）的整体效率和商业可行性。主要技术瓶颈源于多步乙醇氧化反应（EOR），该反应需要具有挑战性的C-C键断裂以及强吸附中间体（如CO和乙醛）的去除。尽管完全电氧化至CO₂需要12电子转移，但实际系统通常仅实现部分氧化，生成乙醛和乙酸，这大幅降低了燃料利用率和功率密度，同时释放有害副产物。虽然贵金属如铂（Pt）和钯（Pd）表现出高本征活性，并已被广泛研究作为EOR阳极催化剂，但其高昂的成本和对CO中毒的脆弱性导致氧化不完全和快速性能衰减。因此，设计兼具高活性、选择性和耐久性并最大限度减少铂族金属（PGMs）使用的先进电催化剂，仍然是DEFCs商业化部署的关键障碍。

本综述总结并批判性地审视了DEFC电催化剂的最新进展，提供了关于乙醇电氧化先进材料的更新视角。特别强调了新兴趋势和关键设计原则，用于工程化下一代电催化剂以推进高性能DEFC技术。

章节片段

直接乙醇燃料电池（DEFCs）中乙醇氧化反应的机制

在DEFC阳极的乙醇氧化反应（EOR）过程中，乙醇通过两条平行路径转化——C1和C2路径，它们在电子转移效率和氧化程度方面存在差异。C1路径代表乙醇完全氧化为CO₂，每个乙醇分子实现理论上的12电子完全转移。该路径需要C-C键断裂，由于C-C键的固有强度，这一步骤具有高热力学势垒和缓慢动力学。

直接乙醇燃料电池（DEFCs）的类型

根据电解质，DEFCs可分为两种主要类型：酸性和碱性。酸性DEFCs使用允许H⁺离子从阳极传输到阴极的质子交换膜（PEM）。反应在低pH值（< 5）条件下发生，在EOR过程中阳极消耗水，阴极再生水。相比之下，碱性DEFCs采用阴离子交换膜（AEM），乙醇在阳极在OH^?离子存在下（pH 8–12）进行电氧化，而氧气是

增强C1选择性的电催化剂设计最新进展

在DEFCs中，催化剂的电催化性能受多种材料和过程因素影响，包括其粒径、结构形貌和表面氧化态。在众多单金属催化剂中，Pt/C和Pd/C因其分解吸附乙醇的高本征能力，仍然是乙醇电氧化中占主导地位的首选催化剂。然而，EOR过程中使用的单金属催化剂对中毒高度敏感；强吸附的

提高DEFC效率和电催化剂电化学性能的技术方法

虽然上述研究通过电化学测试揭示了本征催化性质，但DEFCs中的实际性能取决于运行参数和膜电极组件（MEA）优化，如下所述。

结论

近年来，通过纳米结构构建、高熵合金设计、应变工程及相关理论探索基本控制机制，在推进用于DEFCs的乙醇氧化电催化剂方面取得了显著进展。然而，由于阳极动力学缓慢、膜相关传输限制、乙醇交叉和耐久性问题，将这些技术进展转化为实际DEFC系统仍然具有挑战性。尽管具有优化的IT-PEMs

CRediT作者贡献声明

Abdul Salam： 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，调查，正式分析。Oksana Zholobko： 方法论，调查，资金获取，正式分析。Xiang-Fa Wu： 撰写 – 审阅与编辑，可视化，监督，软件，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在利益冲突：作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。如有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到北达科他州玉米利用委员会（奖项编号：FAR0038732）、北达科他州经济多样化研究基金（奖项编号：FAR0028380）和北达科他州立大学发展基金会（奖项编号：FAR003586）的支持，谨致谢意。Abdul Salam在北达科他州立大学攻读博士学位期间获得美巴知识走廊奖学金和北达科他州立大学机械工程系的支持。

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