近日，biwn必赢孙世刚院士、姜艳霞教授和林海昕教授在乙醇电氧化机理研究中取得新进展，相关研究成果以“Ga-modification near-surface composition of Pt-Ga/C catalyst facilitates high-efficiency electrochemical ethanol oxidation through C2 intermediate”为题发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.3c04320）。
直接乙醇燃料电池(DEFC)由于其生物环境友好、安全、易于储存和运输以及高能量密度，被认为是将化学能转化为电能的最有效设备之一。然而，DEFC中的阳极半反应，即乙醇氧化反应(EOR)，由于缺乏高效的电催化剂，仍然存在电催化动力学低和中间物毒化严重的问题。EOR电催化过程遵循双路径反应机制，在大多数情况下，乙醇通过C2路径不完全电氧化生成乙酸，损失了三分之二以上可用能量；乙醇完全电氧化产生CO2需经过C1毒化路径，产生的CO吸附在催化剂表面，减少了暴露的催化活性位点，从而降低了催化活性。为此，研究团队设想通过设计催化剂表面结构影响EOR反应过程中的能垒，实现以C2氧化路径完全氧化乙醇，即高效产生CO2。
基于乙醇分子吸附氧化的机理，研究团队设计合成了一种表面Ga改性的PtGa纳米合金粒子，Ga原子吸附水分子所形成的Ga-(H2O)x具有隔绝连续Pt位点的效果，通过原位电化学红外光谱方法发现乙醇分子在催化剂表面吸附后未发生C-C健的解离，中间物种停留在C2物种（乙醛），避免了C1毒化路径。随着电位升高，Ga-(H2O)x释放质子形成Ga-(OH)x，OH物种促进乙醛进一步氧化，从而实现在中低电位下（0.3 - 0.55 V vs. SCE）乙醛分子完全氧化到CO2的过程。并且该过程的真实性也通过乙醇同位素标记法和以乙醛分子作为直接反应底物得到了证实。研究团队还通过DFT理论计算阐明了Pt-Ga合金催化剂表面Ga的超强亲水性质以及提供OH物种的能力。该项研究提出了乙醇氧化的新机制，即C2完全氧化反应途径，对高效利用乙醇能源提供了可能性，有利于直接乙醇燃料电池的发展。
该研究工作是在biwn必赢孙世刚院士、姜艳霞教授、林海昕教授和英国卡迪夫大学黄小洋博士的共同指导下完成。2021级博士生颜伟为第一作者，博士生李广、硕士生陈玮鑫和崔爽爽参与了部分实验。首尔国立大学的Gyeong-Su Park教授和Rena Oh博士对催化材料的表征和解析做出了重要贡献。该研究工作得到国家自然科学基金项目（22172134、22288102）的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.3c04320
