论文信息

研究背景

直接醇燃料电池以甲醇、乙醇等液体为燃料，具有能量密度高、储运方便和运行安全等优势，在移动电源与分布式能源领域具有重要应用前景。然而，传统体系的阳极醇氧化反应和阴极氧还原反应动力学缓慢，通常依赖高载量铂基催化剂；醇跨膜还会在阴极引发混合电位和催化剂中毒，导致性能与寿命下降。现有研究多聚焦于固体催化剂改性，却难以同时解决贵金属成本、三相界面传质、醇跨膜和催化剂失活等问题。因此，从反应机制层面重构醇氧化与氧还原路径，是推动直接醇燃料电池实际应用的关键。

文章概述

近日，厦门大学陈嘉嘉教授与拉夫堡大学林文峰教授团队合作，在Angewandte Chemie International Edition发表题为“Solar-Driven Redox-Catalyzed Direct Alcohol Fuel Cells”的研究论文。团队提出太阳能驱动氧化还原催化直接醇燃料电池（SR-DAFC），利用2,7-AQDS和4-OH-TEMPO/HNO₃分别作为阳极和阴极氧化还原介体，将传统固/液/气多相电催化路径转化为均相光化学反应、化学反应与电化学再生耦合的反应网络。该体系无需铂族金属催化剂，以低成本碳毡作为电极即可实现高效发电；以异丙醇为燃料时峰值功率密度达到319.2 mW cm^-2，约为传统直接醇燃料电池的3倍，并可直接利用甲醇、乙醇、甘油及高浓度混合醇。

图文导读

团队采用4-OH-TEMPO/HNO₃作为阴极氧化还原催化体系。原位拉曼光谱显示，4-OH-TEMPO在硝酸中可快速生成氧铵盐态4-OH-TEMPO⁺，同时避免形成电化学不可逆的羟胺物种。阴极过程由此被拆分为两个连续界面步骤：NO在气—液界面与氧气反应，4-OH-TEMPO⁺则在电极—电解液界面接受电子。该策略将氧气活化与电荷转移从传统固/液/气三相边界中分离，有效缓解复杂三相界面的动力学和传质限制。

图1. 4-OH-TEMPO/HNO₃介导的阴极氧还原化学—电化学循环。

阳极侧采用2,7-AQDS作为均相光氧化还原催化剂。瞬态吸收光谱表明，光照产生的三重激发态^3*AQDS可与甲醇发生快速电子转移；理论计算进一步说明其能量和前线分子轨道匹配有利于甲醇氧化。甲醇经甲醛、甲酸逐步氧化为CO₂，实现最多6电子利用。还原态2,7-AQDSH₂随后在阳极快速失去电子和质子并恢复为2,7-AQDS，形成连续的光化学氧化—电化学再生循环。

图2. 2,7-AQDS光催化甲醇氧化及其电化学再生机制。

团队以未经催化剂涂覆的低成本碳毡作为电极和集流体构建SR-DAFC。电池开路电压约为0.76 V；在2.5 Sun连续光照下，以5 M甲醇为燃料可在室温保持约0.70 V放电超过200小时。经过100次光化学充能—电化学放电循环后，容量保持率约为86%。在80 ℃下，以甲醇、乙醇和异丙醇为燃料时，峰值功率密度分别达到249.3、264.1和319.2 mW cm^-2。

图3. SR-DAFC的工作原理、运行稳定性及多种醇燃料性能。

SR-DAFC还可利用甘油等多元醇。核磁共振和产物分析揭示了甘油逐步氧化的复杂路径：约65%的甘油最终完全转化为CO₂，其余主要形成乙酸等液相产物，完整氧化路径最多涉及14电子转移。以甘油为燃料时，电池在室温和80 ℃下的峰值功率密度分别达到165.8和250.4 mW cm^-2，展示了对生物质衍生多元醇的适应能力。

图4. 甘油光氧化路径、产物分布及相应电池性能。

粗甲醇、粗乙醇和生物柴油副产粗甘油通常含有多种醇类杂质，分离纯化会增加能耗与成本。团队采用甲醇、乙醇、异丙醇和甘油等摩尔混合、总浓度5 M的溶液模拟粗醇燃料。SR-DAFC在室温和80 ℃下仍可分别输出109.2和198.3 mW cm^-2，体现出直接利用高浓度非精制混合醇的潜力。初步成本比较表明，即使计入高浓度氧化还原介体，该体系相较传统铂基直接醇燃料电池仍具有明显成本优势。

图5. SR-DAFC与传统直接醇燃料电池的反应界面、传质特征及性能对比。

结论

该工作通过分子氧化还原介体重新构建直接醇燃料电池中的反应界面和能量转换路径，同时绕开贵金属依赖、醇跨膜中毒与三相界面动力学缓慢等难题。组装的燃料电池峰值功率密度达到319.2 mW cm^-2，具有。未来可进一步优化介体浓度、光反应器结构、膜传质和系统热管理，推进光能输入与电堆工程的深度集成。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。