厦大JACS：Ga改变Pt-Ga/C近表面组成，促进乙醇通过C2路径高效电化学氧化

直接乙醇燃料电池(DEFCs)由于具有安全无毒、能量密度高(8 kWh kg⁻¹)(甲醇为6 kWh kg⁻¹)和储运方便等优点受到人们广泛的关注。实际上，乙醇氧化反应(EOR)因为涉及多个反应路径，被认为是一个复杂的反应。

在酸性条件下，提高采收率主要通过完全氧化途径(C1途径)和不完全氧化途径(C2途径)这两条平行且相互竞争的途径进行。C1中间体的氧化脱氢反应是一种能量利用效率较低的反应途径；而Pt金属纳米粒子催化的C2路径中，乙醇分子中C−C键断裂缓慢的动力学以及反应过程中产生的*CO和*CH_x物种会毒化催化剂表面限制了该路径的进行。因此，设计和开发有效的Pt基催化剂以促进EOR向C2路径进行具有重要意义。

近日，厦门大学姜艳霞、林海昕和Huang Xiaoyang等通过溶剂热法合成了C负载的PtGa双金属纳米粒子(Pt₃Ga/C)，并对其催化性能进行了研究。结果表明，合金化改变了Pt的电子结构，诱导了纳米颗粒内部强的p-d杂化，从而调节了EOR过程中Pt与中间产物之间的结合能。

通过在分子水平上的电化学分析和电化学原位红外分析光谱，研究人员发现：1.在EOR过程中无需*CO物种就可以获得高的CO₂产率；2.在中等电位(> 0.3 V_SCE)下，通过持续氧化C2物种，CO₂的选择性仍然很高，这被认为是乙醇完全氧化为CO₂的新途径；3.PtGa金属纳米颗粒的EOR性能可以在很大程度上通过调节催化剂的表面结构和组成来控制。

同时，用Ga合金化Pt(通过电子重分布形成优化的表面电子结构)，可以大幅度地抑制Pt表面的*O/*OH吸附和CO中毒反应，使Pt表面在较宽的电位范围内处于较为自由的状态，这有利于乙醇分子的吸附和氧化。

此外，PtGa纳米颗粒表面上的Pt原子没有聚集在一起，所产生的隔离效应避免了乙醇分子的桥式吸附以形成有毒的*CH_x和*CO物种；Ga元素的亲水性为其表面提供了足够的*OH物种，而这些*OH物种又与Pt上吸附的C2中间体发生反应，从而大幅度提高了乙醇氧化为CO₂的效率。

综上，该项工作揭示了C2中间体在EOR过程中的重要作用，这对于乙醇能源利用具有重要的现实意义，也有助于推动DEFC的实际应用。

Ga-Modification Near-Surface Composition of Pt–Ga/C Catalyst Facilitates High-Efficiency Electrochemical Ethanol Oxidation through a C2 Intermediate. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c04320